基于粒子方法的霍尔推力器放电特性数值模拟研究.pdf

摘要

基于Particle-in-Cell（PIC）的数值方法是研究霍尔推力器非常有效的手段，

目前哈尔滨工业大学已经搭建了相应的数值模拟平台。但是随着霍尔推力器向着

大推力、高比冲方向发展，由此而带来的背压大和多价电离占比多等问题使得现

在的模拟平台越来越不能满足需求。针对目前霍尔推力器的这种发展趋势，本课

题通过将背压和多价电离等效应考虑进数值模拟平台，使其模拟能力得到进一步

的强化。并利用强化后的数值模拟平台研究了真空背压效应、阳极温度、多价电

离特性等霍尔推力器的重要问题。

首先，基于实验测得的真空背压分布和现有的背景气体摄入相关知识，构建

了真空背压模型，通过将真空背景气体均匀地从计算边界右侧摄入到计算区域中

来模拟真空背景气体的摄入过程。基于实验测得的多价电离截面参数，并利用MCC

和NULL-Collision技术将多价电离过程添加到数值模拟平台中，使其具备模拟多

价电离的能力。

然后，本文分析了背压对电离加速特性，电势分布，电子温度分布以及性能

等的影响。结果表明，由于构成背压的返流工质气体主要在通道出口附近发生电

离，影响了通道内外的电导率分布及电势分布，改善了阳极工质的电离加速特性，

从而优化了工质利用率，减小了羽流发散角，增加了离子轴向速度，使得推力器

性能增加。因此，在背景压力引起的推力增量中，除了背景工质自身电离加速贡

献了一部分之外，其对阳极工质电离加速行为的优化也起到了重要的贡献。另外，

本文研究了背压对地面寿命试验寿命结果的影响，发现背压通过影响电势分布，

使得壁面入射离子的能量和角度增加，入射到壁面的通量减小，使得壁面侵蚀速

率随着背压的增加而增加，即地面寿命实验评估的寿命是比较保守的。

接下来，本文研究了不同放电电压下阳极温度，即工质气体流速，对霍尔推

力器放电特性的影响。结果表明，模拟获得的不同放电电压下推力器性能参数随

阳极温度的变化规律与实验结果吻合得很好。进一步的机理分析指出，电子温度

的大小决定了推力器性能随阳极温度变化的两种截然相反的规律。当放电电压较

低时，电子温度较低，工质电离不充分，影响工质利用率的参数随着阳极温度的

变化决定了推力器性能的变化。当放电电压较高时，电子温度较高，工质充分电

离条件成立，影响电导率进而电流利用率的参数随着阳极温度的变化决定了推力

器性能的变化。

最后，本文研究了霍尔推力器的多价电离特性。（1）分别在有无多价电离的

模拟平台进行数值模拟实验，研究了多价电离的有无对霍尔推力器放电产生的影

响。研究发现，多价电离的存在会影响通道内的电势分布，电子温度分布等重要

参数分布。多价电离的存在导致放电电流、离子电流的增加、阳极效率和速度比

冲的增加。（2）通过构建磁屏蔽磁场位型和非磁屏蔽磁场位型，研究了两种磁场

位型下多价电离的差异。研究发现，磁屏蔽磁场位型下，由于通道外电势降很大，

导致从阴极过来的电子能够迅速获得大量的能量。高能电子的增多导致多价电离

的加剧，很好地解释了实验中磁屏蔽位型下多价离子占比多的现象。（3）通过调

节工质流量，研究工质流量对多价电离的影响。研究发现工质流量增加后，通道

内各种碰撞速率的增加，导致通道内电导率的增加，通道内电势降降低，通道外

电势降增加，使电子在通道外获得的能量增加。高能电子的增多导致多价电离的

加剧，很好地解释了实验中随工质流量增加多价离子占比增加的现象。

关键词：霍尔推力器；背压；阳极温度；多价电离；PIC数值模拟

Abstract

ThenumericalmethodbasedonParticle-in-Cell(PIC)isaveryeffectivemethodto

studyHallthruster.Atpresent,HarbinInstituteofTechnologyhasestablisheda

correspondingnumericalsimulationplatform.However,astheHallthrusterdevelops

towardthedirectionofhighthrustandhighspecificimpulse,thelargebackpressu