Numerical study of the effect of radial magnetic field on performance of Hall thruster

San-Xiang Yang,Peng Zhang,Ning Guo,Qian-Nan Wang,Yan-Hui Jia,Jun Gao,Xin-Wei Chen,Hai Geng,Xing-Long Yuan

doi:10.7498/aps.71.20212386

Abstract

The Hall-effect thruster has wide applications for commercial aerospace because of the high thrust density and simple structure. In order to further improve the performance of low-power Hall thruster and to solve the problem that the performance of low-power Hall thruster for low-orbit satellites is limited by the input power and maximum magnetic field intensity, the influence of radial magnetic field distribution in the discharge channel on the performance of the thruster is studied by numerical simulation and theoretical analysis in this work through changing the radial magnetic gradient on condition that the axial magnetic profile and the magnetic strength remain unchanged. The results show that the potential of the acceleration zone decreases with the increase of radial distance when the discharge parameters, propellant flow rate and axial magnetic field are unchanged. Therefore, the greater the radial magnetic field gradient near the inner wall of the thruster discharge channel, the greater the kinetic energy of the ions drifting along the axial direction to the thruster outlet, , and the greater the thrust of thruster. The research results of this work provide theoretical support for the magnetic field design and performance optimization of hall thrusters.

Highlights

(兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州 730000) 霍尔推力器由于推力密度大、结构简单等特点,在商业航天领域具有广泛的应用前景。为了进一步提升小功率霍尔推力器的性能,克服低轨卫星用小功率霍尔推力器性能受限于输入功率和最大磁场强度的问题,本文利用数值模拟和理论分析方法研究了霍尔推力器放电通道中径向磁场分布对推力器性能的影响。在轴向磁场分布和最大径向磁场强度一定的情况下,通过改变径向磁场梯度实现径向磁场对推力器性能影响的研究。结果表明,在放电参数、推进剂流率以及轴向磁场不变的情况下,加速区的电势随着径向距离的增加而减小。因此,靠近推力器放电通道内壁侧的径向磁场梯度越大,离子沿着轴向漂移到达推力器出口的动能越大,推力器的推力越大。本文的研究结果为霍尔推力器的磁场设计,性能优化提供了理论支撑。关键词:霍尔推力器,数值研究,径向磁场,加速区中图分类号:V439.4 文献标识码:A PACS: 52.27.-h, 52.75.Di, 02.60.Cb, 85.30.Fg 基金: 甘肃省自然科学基金(批准号:20JR10RA478);甘肃省杰出青年基金(批准号:21JR7RA744)
图 8 不同磁场强度下的电势沿着轴向的变化。 Fig.8 Electric potential along the axial direction plotted for different magnetic strength
图 9 不同径向位置处电势沿着轴向的变化。 Fig.9 Electric potential along the axial direction plotted at various radii

Summary

Introduction

(兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州 730000) 霍尔推力器由于推力密度大、结构简单等特点,在商业航天领域具有广泛的应用前景。为了进一步提升小功率霍尔推力器的性能,克服低轨卫星用小功率霍尔推力器性能受限于输入功率和最大磁场强度的问题,本文利用数值模拟和理论分析方法研究了霍尔推力器放电通道中径向磁场分布对推力器性能的影响。在轴向磁场分布和最大径向磁场强度一定的情况下,通过改变径向磁场梯度实现径向磁场对推力器性能影响的研究。结果表明,在放电参数、推进剂流率以及轴向磁场不变的情况下,加速区的电势随着径向距离的增加而减小。因此,靠近推力器放电通道内壁侧的径向磁场梯度越大,离子沿着轴向漂移到达推力器出口的动能越大,推力器的推力越大。本文的研究结果为霍尔推力器的磁场设计,性能优化提供了理论支撑。关键词:霍尔推力器,数值研究,径向磁场,加速区中图分类号:V439.4 文献标识码:A PACS: 52.27.-h, 52.75.Di, 02.60.Cb, 85.30.Fg 基金: 甘肃省自然科学基金(批准号:20JR10RA478);甘肃省杰出青年基金(批准号:21JR7RA744) 霍尔推力器作为一种静电型电推力器,相较于离子推力器[1, 2]具有推力密度大、推功比高、结构简单等特点[3]。目前,霍尔推力器已广泛用于执行卫星的位置保持和轨道修正等任务,特别是在商业航天领域,如低轨互联网星座[3]。关于霍尔推力器的研究目前主要集中在以下几个方面:1)降低推力器壁面溅射腐蚀, 提高推力器工作寿命[4]。为了减少离子对壁面的溅射腐蚀,通常采用优化磁场拓扑结构的方法,使磁力线尽可能平行于放电通道壁面并深入通道底部,形成具有磁屏蔽效应的磁场位形[5]。具有磁屏蔽效果的磁场位形一方面可以减少离子对壁面的轰击,另一方面可以有效减小阳极的热负载[6],从而有效延长推力器的工作寿命。2)提升推力器的性能[7, 8]。霍尔推力器性能的提升主要是通过优化物理设计来实现,特别是优化放电通道内的磁场位形[9,10,11]。在满足电子磁化、离子非磁化这一基本要求的前提下,一方面使最大磁场强度所对应的轴向位置尽可能向推力器出口下游移动,另一方面使放电通道内的磁场具有较大的轴向磁场梯度[12]。3)实现推力和比冲的独立调节[13]。随着航天任务的复杂性增加,同一颗卫星在不同任务阶段会对推力器的工作模式提出不同的要求:在卫星轨道提升和轨道转移期间,需要大推力模式以缩短卫星变轨所需时间;在卫星位置保持期间,则要求高比冲模式以减少推进剂的消耗,增加推力器在轨工作时间[14]。传统的霍尔推力器由于特殊的磁场位形使得位于放电通道内的电离区和加速区相互重叠[15],很难实现推力和比冲的独立调节。Perez等人研究表明具有双峰磁场的附加电极霍尔推力器在一定程度上可以使推力器的电离和加速过程分离,从而有望实现推力和比冲的独立调节[14]。4)削弱或抑制放电振荡,提高放电稳定性[16]。霍尔推力器在工作过程中由于粒子间的碰撞、物理量梯度的存在,以及等离子体的固有振荡,导致推力器在放电过程中会出现频率介于kHz~GHz范围的放电振荡[17]。如由电离碰撞引起的频率介于10~30kHz的“呼吸”振荡 [18,19];由羽流区的密度梯度和磁场梯度诱发的沿着 E B 或者 E B 方向传播的“旋转辐条”不稳定性[20,21]。霍尔推力器中的低频、大幅放电振荡一方面会使羽流发散角增加,加剧壁面的溅射腐蚀,缩短推力器的工作寿命, 另一方面严重的放电振荡会导致推力器熄弧[22]。电场和鞘层电势降的变化,揭示了磁屏蔽设计延长霍尔推力器寿命的机理[5]。Hofer等人利用试验数据,采用唯象模型揭示了磁场对高比冲霍尔推力器的重要影响[9]。Hara等人利用微扰分析方法研究了电子输运,电子温度、以及中性原子通量对“呼吸”振荡的影响,结果表明电子能量在壁面上的损耗对电离不稳定性有稳定作用[23]。Brown等人研究了等离子体与壁面相互作用导致的霍尔推力器的溅射腐蚀,结果表明壁材料的溅射腐蚀与材料的特性、磁场、放电电压等因素有关[24]。康小录等人开展了磁场对高电压霍尔推力器影响的研究[25], 结果表明在不固定磁场构型时,增加磁场强度推力器效率存在两个极大值;固定磁场构型时,增加磁场强度推力器效率只有一个最大值。丁永杰等人开展了磁场对霍尔推力器壁面侵蚀的研究[26],结果表明聚焦磁场相对于发散磁场能够有效降低离子对壁面的侵蚀,进而提高推力器工作寿命。于达仁等人研究了磁场位形对双级霍尔推力器中离子输运的影响, 结果表明磁场位形通过影响电势分布实现对离子输运过程的调控[27]。段萍等人研究了磁零点位置对霍尔推力器放电特性的影响,结果表明磁零点的位置影响推力器放电,以及离子对壁面的溅射腐蚀 [28]。需要说明的是,上述研究中只关注了霍尔推力器轴向磁场分布、或磁场强度大小对推力器性能、寿命等的作用,忽略了磁场径向分布的影响。事实上,应用于低轨卫星的小功率霍尔推力器,由于功率、最大磁场强度等受限,通过提升磁场强度和增加输入功率实现推力器性能提升的方法将不再适用,因此需要研究推力器性能提升的其他有效方法。

Results

Conclusion