概述:
在航天器推进中,霍尔推力器是离子推力器的一种,霍尔推力器有时也称为霍尔效应推力器或霍尔电流推力器。霍尔推力器一般被认为是具有中等比冲(1600s)的空间推进技术。霍尔推力器自1960年代以来在理论和试验研究上取得了很大进步。
霍尔推力器可使用多种推进剂,最常用的是氙,其他推进剂包括氡、氩、铋、碘、镁和锌。
霍尔推力器喷气速度最大可达10-80km/s(比冲1000 - 8000s),但绝大多数型号喷气速度在15-30km/s (比冲1500 - 3000s)。霍尔推力器推力与功率有关。1.35kw的推力器可产生83mN的推力。高功率型号在实验室环境中推力达到了3N。100kW功率量级的氙气霍尔推力器也已得到验证。
霍尔推力器等离子体磁鞘特性:
由于霍尔推力器通道壁面表面积与容积比大,等离子体与器壁的相互作用强。等离子体和固体壁面发生作用时会形成等离子体鞘层,鞘层中的高能电子与器壁材料撞击会使得器壁发射出大量的二次电子,二次电子发射直接影响等离子体鞘层特性,进而影响推进器的效率、比冲等性能指标。
随着二次电子发射系数的增加,鞘层器壁电势而升高,鞘层势垒减弱,鞘层厚度减小;磁场大小及方向对推力器磁鞘的影响虽不显著,但从趋势上看磁场大小和方位角越大,鞘层中二次电子密度增加,鞘层电势升高;对于氩和氙二种等离子体,氙等离子体产生的鞘层势垒高,鞘层厚度和粒子密度大。可见,二次电子的磁化导致鞘层电势分布,粒子密度空间分布和壁面二次电子流的改变,而这些变化将直接影响推力器电子传导机制,进而影响推力器的效率。
霍尔推力器变电压下电子能量平衡机制:
尽管霍尔推力器具备相对较高的比冲,但是鉴于高比冲带来的航天器的高有效载荷率对于长周期飞行任务的航天器和卫星具有重要意义,因此,随着近年来长寿命卫星平台和深空探测等项目的开展在现有的基础上进一步提高比冲,就成为了霍尔推力器发展的重要趋势。研究表明,提高放电电压能够有效提高霍尔推力器的比冲。
电子能量的平衡过程,可以分为能量获得与能量损失2个部分。在霍尔推力器放电通道内,电磁场对带电粒子产生作用力并驱动粒子发生运动,因此,电磁场是电子能量的来源。同时在运动过程中,电子发生高频率的碰撞(与中性原子的碰撞、与绝缘壁面的碰撞)。对于电子来说,由于其质量相对很小,弹性碰撞后其能量近似不变,但是实际发生的碰撞效应又往往是非弹性的,例如:电子与中性原子的碰撞伴随着电离过程,而电子与绝缘壁面的碰撞又可能造成被壁面吸收或发射出低能量的二次电子等结果,这些非弹性碰撞就造成了电子的能量损失。
电子的能量获得电子进入到霍尔推力器放电通道内的电磁场中,就会从电磁场中获得能量。一般来说,入射电子的能量在1~10eV量级,而如果被壁面吸收,则能量完全损失;如果发生非弹性反射,但是未激发出二次电子,则能量损失的量级与电子原有能量的量级一致或更小;如果发射二次电子,则二次电子能量可以认为是入射能量的1/2或1/3,损失的量级也在1~10eV。
如果忽略微观的回旋效应,电子在通道中的运动可以看作是从通道出口到阳极的定向流动,这个定向流动伴随着上述的能量平衡过程。某点的电子温度实际上是该点到通道出口的轴向区域(即定向流动的“上游区域”)内电子能量获得与损失的结果,与下游的物理过程无关。因此,最大电子温度的影响因素就是最大电子温度点上游区域电子的电场获能和碰撞能量损失