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通道壁面材料布置及磁场对霍尔推力器放电特性的协同影响研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着航天技术的飞速发展，对推进系统的性能要求日益提高。霍尔推力器作为一种重要的电推进装置，凭借其高效率、高比冲、长寿命等显著优势，在现代航天领域中发挥着不可或缺的作用，被广泛应用于卫星的姿态控制、轨道维持、深空探测等任务。例如，在卫星的南北位置保持任务中，霍尔推力器能够精确地调整卫星的位置，确保其稳定运行；在深空探测任务中，如嫦娥系列探月计划、祝融号探火计划等，霍尔推力器为探测器提供持续的动力，助力其完成漫长的太空之旅。

霍尔推力器的工作原理基于霍尔效应，通过在通道内施加正交的电场和磁场，使电子在E×B场作用下作周向的闭环漂移运动，同时横越磁场向阳极方向传导以维持等离子体放电。在这个过程中，通道壁面材料布置及磁场作为影响霍尔推力器放电特性的关键因素，对其性能起着决定性作用。

通道壁面材料的选择和布置直接影响着等离子体与壁面的相互作用。不同的壁面材料具有不同的物理和化学性质，如二次电子发射系数、热导率、耐腐蚀性等，这些性质会影响电子的传导、离子的轰击以及壁面的侵蚀等过程，进而影响推力器的放电特性和寿命。例如，俄罗斯科研人员发现推力器在运行一段时间后性能会下降，原因是在通道壁面形成了一层异化薄膜。法国与波兰研究人员合作对SPT100-ML型霍尔推力器壁面材料的性质进行实验与数值模拟研究，发现当放电电压持续增大，放电电流将发生突变。哈尔滨工业大学运用粒子模拟方法研究了二次电子发射系数对推力器性能的影响，发现随着二次电子发射系数的增加，传导电流也将增加，电离区将向通道出口移动，加速区将缩短，而推力器效率也随二次电子发射系数的增加先升高后降低。

磁场在霍尔推力器中也起着关键作用。磁场不仅能够约束电子，使其在通道内作闭环漂移运动，从而实现等离子体的放电和电离，还能影响离子的加速和喷射方向，进而影响推力器的推力和比冲等性能参数。在电子传导方面，磁场影响电子的平均自由程、鞘层电场、扰动电场，从而控制电子的轴向传导。在等离子体振荡方面，磁场能显著影响轮辐模式等离子体波在周向的传播速度。不同的磁场强度和分布会导致不同的放电特性和性能表现。当磁场强度小于优化值时，电子横越磁场的传导以近壁传导机制为主；反之，当磁场强度大于优化值时，放电电流会出现反常变化。

因此，深入研究通道壁面材料布置及磁场对霍尔推力器放电特性的影响，对于优化推力器的设计、提高其性能和可靠性、延长使用寿命具有重要的理论和实际意义。这不仅有助于满足当前航天任务对推进系统日益增长的需求，推动航天技术的进一步发展，还能为未来更复杂、更艰巨的太空探索任务提供强有力的技术支持。

1.2国内外研究现状

在霍尔推力器的研究领域，通道壁面材料布置及磁场对放电特性的影响一直是研究的重点。国内外学者通过理论分析、数值模拟和实验研究等多种方法，对这一课题进行了广泛而深入的探索。

在通道壁面材料布置的研究方面，国外起步较早。前苏联的科研人员率先发现了霍尔推力器在运行一段时间后性能下降的问题，并指出是通道壁面形成的异化薄膜所致。此后，法国与波兰的研究人员针对SPT100-ML型霍尔推力器，开展了壁面材料性质的实验与数值模拟研究，揭示了放电电压与放电电流之间的突变关系。国内的哈尔滨工业大学运用粒子模拟方法，深入研究了二次电子发射系数对推力器性能的影响，明确了随着二次电子发射系数增加，传导电流、电离区、加速区以及推力器效率的变化规律。哈尔滨工程大学则选用直径为26mm的圆柱形氙工质霍尔推力器，采用cusp磁场构型，分别选取Al?O?、SiC、BN陶瓷以及石墨四种常见壁面材料，运用二维粒子模拟方法，对通道内区域进行模拟，总结出了推力、放电电流及推力器效率随壁面材料二次电子发射系数的变化规律。

在磁场对霍尔推力器放电特性影响的研究方面，国外学者在电子传导和等离子体振荡等方面取得了重要成果。在电子传导方面，提出了经典传导、近壁传导和玻姆传导等多种电子传导机制，这些机制通过磁场对电子的平均自由程、鞘层电场、扰动电场产生影响，进而控制电子的轴向传导。在等离子体振荡方面，发现磁场能显著影响轮辐模式等离子体波在周向的传播速度。国内的哈尔滨工业大学为探索霍尔推力器通道内优化磁场的标准，研究了磁场强度对其放电特性的影响规律，发现当磁场强度小于优化值时，电子横越磁场的传导以近壁传导机制为主；反之，当磁场强度大于优化值时，放电电流会出现反常变化。

然而，当前的研究仍存在一些不足之处。在通道壁面材料布置的研究中，虽然对不同壁面材料的性能有了一定的了解，但对于壁面材料与等离子体之间复杂的相互作用机制，尚未完全明晰。例如，壁面材料的微观结构如何影响二次电子发射，以及二次电子发射对等离子