阳极层霍尔等离子体加速器内的二维磁流体模拟

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  利用二维磁流体动力学模型,对我们自行设计的圆柱形霍尔等离子体加速器通道内的放电等离子体进行数值模拟计算,得到了通道内的电子密度、离子密度等分布。从计算的结果看出电子密度和离子密度主要集中在阳极附近,在加速器内通道的上游离子的数密度很快的增加到最大值4×1015/m3,在加速器内通道的上游电子的数密度7×1013/m3,说明离化主要发生在阳极附近,霍尔等离子体加速器出口处离子流密度的分布是双峰分布,电势梯度在阳极附近比较大。通过和PIC 方法计算的结果还有试验比较看出大体具有一致性。

  从上世纪70 年代前苏联成功发射霍尔推器到现在有100 多台霍尔推进器执行推进任务并很好的完成了任务。前苏联霍尔推进器的成功发射激起了各国对霍尔推进器的研究热情,尤其是美国、日本、欧盟和中国。尽管霍尔等离子体加速器内的物理过程是相当复杂的,经过几十年的研究现在霍尔加速器技术已经相对成熟。霍尔推力器虽已得到广泛应用,但其设计标准还主要基于测试试验。目前霍尔推力器的设计还存在着提高推进效率、降低刻蚀率、提高稳定性和寿命等问题。

  从1990’开始各国对霍尔推进器进行了大量的数值模拟研究,希望可以取代高费用的试验研究。到目前为止,这方面理论工作已经做得很多了, 例如A. I. Morozov 、E.Ahedo and P.Martinez- Cerezo等人研究的一维完全流体模型,模型一般都基于准中性假设,把电子、离子和中性粒子都看成流体来处理;G. J. M. Hagelaar 、L.Garrigues、Eduardo Fernandez等人研究的一维或二维瞬时混合模型,在这些模型中,电子输运描述为无碰撞流体,离子、中性粒子输运通过动力学来描述;最近,J. C. Adam和FrancescoTaccognaa 等人研究了完全动力学瞬时模型。这些模型基本能够定性、定量地反映霍尔推进器通道内部放电等离子体的基本物理过程。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为由于要建一个合理精确的数值模型来反映复杂的物理过程是很难的,到现在为止还远没有建立很完善的数值模型,而国内对霍尔推进器等离子体理论模拟研究还处于刚起步阶段。本文利用二维磁流体动力学模型,对我们自行设计的霍尔等离子体加速器加速通道内的放电等离子体进行数值模拟。

二维磁流体动力学模型

  运用二维磁流体动力学模型来模拟推进器中的等离子体流,为了简化仅考虑单电荷离子。一般在霍尔等离子体加速器内有两种机制:电子密度远大于离子密度的真空机制和准中性等离子体机制。模型中的控制方程主要包括电子、离子和中性粒子的动量方程、连续性方程和电子的能量方程、泊松方程。本文我们考虑的是如图1所示的区域。

  本文用二维磁流体模型模拟了我们自行设计的霍尔等离子体加速器,得到了加速器内电子密度、离子密度等分布。从计算的结果看出电子密度和离子密度主要集中在阳极附近,在加速器内通道的上游离子的数密度很快的增加到最大值4×1015/m3,在加速器内通道的上游电子的数密度7×1013/m3,说明离化主要发生在阳极附近,在阳极附近径向的磁场是占主要的。电子的速度受到磁场的影响,主要汇集在阳极附近。霍尔等离子体加速器出口处离子流密度的分布是双峰分布,电势梯度在阳极附近比较大。

  通过和PIC 方法计算的结果还有试验比较看出大体具有一致性。分析产生差异的原因:

  (1)电子的温度用的是一维;

  (2)离化系数的确定;

  (3)用的是二维模型,没有考虑霍尔电流效应

  为了更好的模拟霍尔等离子体加速器内的状态,在将来的工作中把磁流体模拟成三维模型。通过试验和模拟的结果对比,对模型和离化系数加以优化。

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