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霍尔推力器以其高效率、高比冲、长寿命、高可靠性等优点已经成为目前国际电推进装置研究中的热点,引起了世界各航天大国的广泛关注。霍尔推力器自从1970年代研制成功以来已经在俄罗斯卫星上得到了广泛的工程化应用,但是由于其内部物理过程的复杂性,人们对其一些内部机理还不是很清楚。 霍尔推力器是一种依靠通道电场加速离子喷出以产生推力的推进装置,由电导机制决定的通道电场分布特性直接影响着离子的加速效果以及推力器的各种性能指标,因此,电导机制是霍尔推力器研究中的关键物理问题之一。目前研究学者共提出三种霍尔推力器通道内的电导机制,其中俄罗斯的A.I.Morozov教授提出的近壁传导机制在霍尔推力器中占有重要地位。 目前关于近壁传导机制的研究集中于对近壁传导的基本物理机理的研究上,还没有结合实际霍尔推力器自身运行特点对近壁传导机制开展进一步的研究工作,因此研究成果不能直接用于指导霍尔推力器的设计和实验。本文针对对电子近壁传导机制影响较大的壁面和磁场情况,围绕霍尔推力器实际运行工况下的壁面和磁场条件对电子近壁传导机制的影响开展了相关研究工作。 首先通过实验方法研究了推力器通道内电子传导电流与磁场强度的定量关系,由此得到了推力器通道内以电子近壁传导为主的学术观点,并且根据电子近壁传导的机理分析,首次提出了基于单电子运动规律的MonteCarlo统计数值计算方法来研究电子近壁传导机制的思路,从而为研究实际推力器通道中各种复杂因素对于电子近壁传导机制的影响提供了研究工具。 壁面条件对电子近壁传导机制的影响主要体现在壁面材料和壁面形貌上。壁面材料对电子近壁传导机制的影响主要通过二次电子发射系数对鞘层特性的影响来体现的,通过研究发现近壁传导电流随着壁面材料二次电子发射系数的降低而降低,模拟结果与推力器壁面金属镀膜后的实验结果相吻合。壁面形貌对电子近壁传导机制的影响主要通过鞘层对低能电子的作用过程来体现的,通过MonteCarlo数值模拟方法研究了电子近壁传导电流和电子温度随人工制造的特定壁面形貌的变化规律,仿真结果与实验吻合;同时给出了一种等离子推力器鞘层厚度的新测量方法,并且针对推力器实验过程中发现的通道壁面被溅射腐蚀所形成的特定宏观表面形貌,研究了近壁传导电流随其特征参数的变化关系,研究结果与实验相吻合。 磁场位形通过控制电子和离子的运动对近壁传导产生影响。从磁场对电子运动影响的角度,分别研究了实际霍尔推力器的环形通道效应下的径向梯度磁场位形和弯曲磁场位形下磁镜效应对电子近壁传导电流的影响规律;从磁场对离子运动影响的角度,研究了磁场位形对壁面入射离子束流强度以及由此引起的电子近壁传导电流的变化规律,在此基础上从最小放电电流的角度,给出了推力器磁场位形的一个设计原则。 最后在研究电子近壁传导机制的基础上提出了通过壁面形貌设计提高霍尔推力器性能的新设计方法,从而为实现电导率沿通道的合理分布以及解决大功率推力器通道壁面载流能力不足问题提供了技术手段。