圆柱形霍尔推进器的三维刻蚀模拟与试验研究-核聚变与等离子体物理.PDF

第 35 卷 第 2 期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 Vol.35, No.2 2 0 1 5 年 6 月 Nuclear Fusion and Plasma Physics June 2015 文章编号：0254−6086(2015)02−0181−06 圆柱形霍尔推进器的三维刻蚀模拟与实验研究 李宏斌，唐德礼，聂军伟，耿少飞，张 帆 (核工业西南物理研究院，成都 610041) 摘 要：通过使用数值模拟和实验相结合的方法研究圆柱形霍尔等离子体推进器。应用蒙特卡洛方法和 Particle In Cell (PIC)方法对放电通道内等离子体碰撞和行为进行模拟。建立圆柱形霍尔推进器的物理和数值模 型；通过对放电和加速区等离子体的产生和输运进行模拟，掌握了等离子体放电和加速机理以及内磁极的刻蚀 情况。结果表明：随着电压的升高，内磁极刻蚀较为严重；推进器内部离子能量值约为放电电压值的 50%左 右。同时通过实验方法测定不同放电电压情况下推进器的放电性能。 关键词：霍尔等离子体推进器；数值模拟；PIC ；蒙特卡洛；刻蚀；实验 中图分类号：V439 文献标志码：A [5] 1 引言 为重要 。 霍尔等离子体推进器由于具有高效率、高比 冲和长寿命等优点[1] ，目前在航天上在欧美等发达 2 PIC 模拟 国家已经广泛用于为人造卫星的位置保持和变轨 2.1 数值方法 等提供动力；在工业上，主要用于等离子体镀膜 为了探究刻蚀问题的成因，对放电等离子体应 和材料表面改性等领域 [2] 。其显著的缺点是加速 用 PIC 方法进行模拟，追踪圆柱形霍尔等离子体推 通道磁极的刻蚀。 进器中电子和离子的行为及其物理特性。PIC 粒子 相比于传统类型的推进器，圆柱形阳极层霍 模拟方法的具体流程为：在一个时间步骤开始时， 尔等离子体推进器，其等离子体放电和加速均发 使用前一个步骤所得到的在具体位置上的粒子的 生在阳极前端极薄的阳极层内，它有很多新的特 电磁力，代入粒子运动差分方程已得到新的位置和 性，比如放电通道的区域表面积更小，提高了能 速度，通过新的位置和速度以加权法算出离散网格 量利用率[3] ；磁镜场与鞍型场相结合对等离子体行 点的电荷密度和电流密度，然后将电荷密度和电流 为进行控制；同时更适于制造小尺寸和小功率的 密度代入麦克斯韦方程组的差分方程求出新的电 推进器。 场与磁场，最后用加权法由新的电场与磁场求出粒 刻蚀问题在推进器应用当中一直是十分重要 子所在位置上的电磁力，完成一个时间步骤的操 的问题，一般情况下，除了发动机表面的沉积污染， 作。其中如考虑粒子的碰撞，则采用蒙特卡洛概率 [6, 7] [4] 模型模拟各种粒子间的碰撞过程 。 等离子体本身就足以使航天器毁于其周围电势 。 通常情况下，与中心线成 22°的地方等离子体密度 2.2 模型介绍 下降到原来的 1/e，成 45°的地方则为原来的 1/10。