霍尔推进器振荡问题的研究综述

霍尔推力器寿命实验和计算分析张志远;田杨;王平阳;吴建军【摘要】为了准确高效地预估霍尔推力器寿命,利用在真空舱内工作较短时间后的霍尔推力器结合三坐标测量仪测量其放电室陶瓷绝缘内外壁面轮廓的直径沿周向的变化情况,以此作为输入参数结合概率密度公式获得了高效率的半经验公式法模型和计算结果.采用文献算例对模型和计算代码进行了验证,表明改进后的模型和算法能够在霍尔推力器短时间运行的测量结果基础上较为准确地预测长时间工作后放电室壁面轮廓形状,进而得到推力器的使用寿命.在此基础上,针对影响HET-40推力器寿命的主要因素进行了考察,获得了相关的影响规律.结果表明,其他条件不变的情况下,霍尔推力器的寿命与输入功率乘积近似常数,对于本研究对象,该常数大约为3.6×106 W·h.【期刊名称】《火箭推进》【年(卷),期】2014(040)003【总页数】7页(P16-22)【关键词】霍尔推力器;寿命;实验;半经验公式法;概率密度【作者】张志远;田杨;王平阳;吴建军【作者单位】国防科学技术大学航天科学与工程学院,湖南长沙410073;北京电子工程总体研究所,北京100854;上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240;国防科学技术大学航天科学与工程学院,湖南长沙410073【正文语种】中文【中图分类】V439+.4-340 引言霍尔推力器放电室壁面轮廓受等离子体的溅射削蚀直接影响其运行寿命[1-2]，当埋置于绝缘陶瓷内的磁极由于溅射而裸露出来时，其寿命即宣告终止。

实验是考察霍尔推力器寿命的重要方法之一，通常采用多层涂层法[3-4]、激光测量法[5-6]、光谱法等[7-8]，并分为长寿命实验和短寿命实验，前者可以准确获知某台推力器的运行寿命，如文献[9]列表给出了多款霍尔推力器长寿命实验的结果，缺点是实验周期一般都在几千甚至数万小时；短寿命实验周期短、花费少，但能得到的信息有限，如Peterson等曾用装有5种不同的氮化硼绝缘环的NASA-120MSPT做实验，200 h实验结果表明，5种材料的溅射特性有很大差异[10]。

典型SPT性能指标
SPT主要特点
• 比冲远高于传统化学推进
化学推进：300s
SPT：1600s
• 与离子发动机相比，SPT的比冲虽然低，但 是结构和配电系统简单，技术成熟度高。
• 另外推力功率比大，SPT推进为60mN/kw， 离子发动机为33mN/kw
• 问题：等离子体振荡、羽流扩张角大
SPT放电室区域的划分
通道内电子轴向迁移根据电子轴向迁移的不同形成机理spt通道内部有三种不同电子传导机制1经典传导与重粒子碰撞产生的传导传导电流与电子密度成正比与磁场强度的二次方成反比2玻姆传导等离子体振荡引起轴向电场同步振荡使得电子横越磁场的扩散加剧引起轴向传导电流增大3近壁传导电子与通道壁面碰撞引起spt通道内各种传导电流z通道位置mm1020303543i近壁传导a2225110809i经典传导a0840560841408i玻姆传导a09090906207总体来看在总体来看在sptspt通道内的电子传导机制中通道内的电子传导机制中近壁传导起着较重要的作用近壁传导起着较重要的作用spt放电振荡现象spt工作时存在较强烈的电流和电压振荡该振荡主要由于推力器内部电离振荡与等离子体参数紊乱造成的
电子电流可忽略，电流主要是由离子电流形成 的。
SPT放电室区域划分示意图
假设SPT放电通道内以单荷电离为主，则存在如下 关系： （Ie）A (Ie Ii )I (Ii )U (IP ) Ip是外电路的放电电流。
通道内外电流的关系
• 在轴向加速电场的作用下，通道内电离形成的 电子将最终到达阳极。
霍尔推力器性能指标
• 霍尔推力器的效率η是指向推力器输入的总 功率中转化为推进剂轴向喷气动能的比例
1 qv2
(3)
• 如果忽略阴极加= 热2 P与磁铁耗功，总功率等

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普通物理实验中常用N型Si、N型Ge、InSb和InAs等半导体材料的霍尔元件在室温下测量，霍尔因子 ≈，所以
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式中， 库仑。
第2章 霍尔效应的副效应
上章的推导是从理想情况出发的，实际情况要复杂得多，在产生霍尔电压 的同时，还伴生有四种副效应，副效应产生的电压叠加在霍尔电压上，造成系统误差。为便于说明，。
由于制造上困难及材料的不均匀性，3、4两点实际上不可能在同一条等势线上。因此，即使未加磁场，当I流过时，3、4两点也会出现电势差 。 的正负只与电流方向I有关，而与B的方向无关。
第3章霍尔效应实验
了解霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用，会测绘霍尔元件的 - ， - 曲线，了解霍尔电势差 与霍尔元件工作电流 ，磁场应强度B及励磁电流 之间的关系。学习利用霍尔效应测量磁感应强度B及磁场分布。学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。
霍尔效应综述
摘要：本文主要叙述霍尔效应的原理，霍尔效应产生的条件，霍尔效应的几种副效应：厄廷豪森效应，能斯特效应，里纪—勒杜克效应，不等电势引起的电势差。通过霍尔效应实验测量霍尔元件的零位（不等位）电势和不等位电阻，测量霍尔电压与工作电流的关系，测量霍尔电压与励磁电流的关系，测量电磁铁气隙中磁感应强度的分布。从反常霍尔效应的背景、定义以及反常霍尔效应的发展前景作论述；通过整数霍尔效应论述、分数霍尔效应的论述，多方面地对霍尔效应的发展前景做了介绍。最后对霍尔元件的发展、用途做详细的介绍。
，一快长为l、宽为b、厚为d的N型单晶薄片，置于沿Z轴方向的磁场 中，在X轴方向通以电流I，则其中的载流子—电子所受到的洛仑兹力为
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式中 为电子的漂移运动速度，其方向沿X轴的负方向。e为电子的电荷量。 指向Y轴的负方向。自由电子受力偏转的结果，向A侧面积聚，同时在B侧面上出现同数量的正电荷，在两侧面间形成一个沿Y轴负方向上的横向电场 （即霍尔电场），使运动电子受到一个沿Y轴正方向的电场力 ，A、B面之间的电位差为 （即霍尔电压），则

中国科学家：谁说霍尔推进器只能吹动一张纸？我们要让它39天推动飞船到火星！霍尔推进器（HTs）又称等离子体霍尔效应推进器，是利用电场和磁场共同作用把电能转换为工质动能的一种推进器，比冲远大于目前其它推进技术，只需要很少燃料就可达到很高的速度。

但霍尔推进器推力很小，甚至只能“吹动”一张纸，很难将宇宙飞船推离地面，因而目前只能应用在真空环境的地球轨道卫星上。

霍尔推进器通常使用氙气作为推进剂，中性氙原子的电子在电场中被剥离，形成等离子体，然后经电场力加速后喷出。

经过长时间的加速后，霍尔推进器可获得比化学推进快很多的速度，目前已达到每小时11万公里左右，未来甚至可能达到28.8万公里，是长距离太空旅行最有潜力的发动机。

一种利用射频发生器的VASIMR等离子火箭，甚至可以推动载人飞船在39天内到达火星。

低功率柱状霍尔推进器（CHTs）是一种小型化的推进器，具有较小的表面体积比，可以有效防止推进器通道因等离子体溅射产生的消蚀。

但较低的等离子体气体密度也导致了电离不足，降低了推进器产生的推力。

中国哈尔滨工业大学的研究人员已经开发出一种新的通道入口设计，在测试中可以显著增加推力，大大提高了推进器的性能，这一成果本周发表在《等离子体物理学》杂志上。

研究人员利用计算机模型和分析软件模拟了两个喷嘴的等离子体运动，结果表明，只需简单地将喷嘴倾斜，推进器就可以在涡流模式下运行，气体密度得到显著提高，而且更加均匀，有效提高了推进器的性能。

在随后的实验验证中，研究人员成功地产生了较高的推力值，特别是放电电压在100到200伏范围时，推进器的比冲增加了1.1%到53.5%。

论文的主要作者魏立秋认为，改变气体注入方法或放电通道的几何形态是提高推进器效能的有效方法，他们还将深入研究喷嘴角度、直径、深度与直径之比以及放电通道长度对推进器的影响，涡流设计将很快在飞行型霍尔推进器上进行测试，最终将可能被应用于到火星等深空的未来太空旅行，为人类冲出太阳系迈出革命性的一步。