磁场位形对霍尔推力器内电子运动的影响研究-动力机械及工程专业论文.docx

Classified Index：V439+.2 U.D.C.: 621.455 Dissertation for the Master Degree in Engineering THE INFLUENCE OF MAGNETIC FIELD TOPOLOGY ON ELECTRON MOTION IN HALL THRUSTERS Candidate: Fu Haiyang Supervisor: Prof. Yu Daren Academic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty: Power Machinery Engineering Affiliation: School of Energy Science Engineering Date of Defence: July, 2008 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - I - 摘 要 霍尔推力器作为一种等离子体装置，以其高效率高比冲等特点成为国际 电推进领域的研究热点，广泛应用在姿态控制，轨道转移及将来的深空探测 任务。电子在通道内被磁场束缚形成周向霍尔漂移运动以及电子在通道内的 传导是形成霍尔推力器闭环漂移的关键问题。本文主要围绕磁场位形如何影 响通道内电子运动及电子传导开展相关工作。 本文首先论述了霍尔推力器 Particle-In-Cell 数值模拟的一般思路和基本 方法。介绍模拟单电子运动规律的 Monte Carlo 方法，及蒙特卡罗发射原子 和电子的基本方法，为以后模拟单电子的运动行为特性奠定基础。 随着磁聚焦概念在霍尔推力器设计中的应用，人们在期待更好的聚焦离 子从而减小离子径向流的同时，也改变了电子在磁聚焦场中的行为。采用单 粒子模拟方法，模拟电子在磁镜场中的运动特性，提出磁镜效应是引起电子 近壁传导径向非对称性分布的另一个原因。磁镜效应会进一步通过影响电子 的运动特性而改变通道内等离子体电势分布等参数。 大磁场梯度是霍尔推力器磁场发展的另外一个重要特点。研究结果表明 随着磁场梯度的增加，通道内加速区的长度变短，减小腐蚀带长度和腐蚀强 度。然而当磁场的特征尺寸与拉莫尔半径可比时，推力器内稳定霍尔漂移被 破坏。从单电子轨道理论分析导向中心的漂移入手，模拟分析了霍尔推力器 通道加速区轴向磁场梯度对电子运动的影响。重点论述了通道内磁场梯度对 电子的周向漂移速度的影响及电子穿越磁场扩散的作用。最后结合霍尔推力 器设计的原理，给出磁化电子稳定霍尔漂移运动被破坏的极限。 最后，从磁场位形对电子运动影响的作用角度，详细说明霍尔推力器通 道内磁场设计的三个重要参数在推力器进行磁场设计时的作用。初步采用全 通道粒子模拟实际磁场位形条件下推力器通道内的等离子体参数分布，定性 给出通道内等离子体参数的一般分布，这对提高磁场位形对推力器的整体性 能和设计具有指导意义，为后续磁场位形更全面的研究工作奠定基础。 关键词 磁场位形；电子运动；近壁传导；霍尔推力器 - - II - Abstract A Hall thruster, with its high-efficiency and high specific impulse, is one of the most important electric propulsion devices widely used for spacecraft propulsion such as attitude control, orbital transfer and deep space exploration missions in the future. The magnetic field in Hall thruster plays a significant role in confining magnetized electrons in stable closed-loop Hall drift, and it also affects electron axial conductivity which determines the distribution of plasma parameters in Hall thrusters. This paper mainly focuses on the influence of magnetic field topology on electron motion in Hall thrusters. The main principles