霍爾推進(jìn)器腐蝕形成機理研究及其數(shù)值模擬.pdf

1、霍爾推進(jìn)器以其高比沖、高效率及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢迅速成為深空探測領(lǐng)域的首選電推進(jìn)裝置。深空探測需要推進(jìn)器具有更長的壽命，而限制推進(jìn)器壽命的主要原因是通道壁面腐蝕，因此壁面腐蝕問題成為霍爾推進(jìn)器壽命問題的研究熱點。霍爾推進(jìn)器的壁面腐蝕分為常規(guī)腐蝕和反常腐蝕兩種形式。目前對常規(guī)腐蝕的數(shù)值模擬均不同程度地簡化了等離子體的動態(tài)模型或是忽略了壁面的腐蝕演化，同時工況條件對常規(guī)腐蝕影響的研究還存在欠缺。另一方面反常腐蝕作為霍爾推進(jìn)器壽命后期的主要失效原

2、因，其形成機理也一直不被理解。為了深入了解霍爾推進(jìn)器壁面腐蝕機理并為工程設(shè)計優(yōu)化提供理論依據(jù)，本文針對霍爾推進(jìn)器的壁面腐蝕問題作了如下研究：
　　針對壁面動態(tài)演化耦合等離子體流動的物理模型需求，發(fā)展了一套壁面動態(tài)演化的浸入式有限元全粒子數(shù)值模擬算法。算法中除引入了與霍爾推進(jìn)器各壁面條件相應(yīng)的邊界類型外，還加入了碰撞模塊、加速模塊和壁面動態(tài)演化模塊以完整全面的模擬推進(jìn)器壁面腐蝕行為。
　　通過上述程序模擬了等離子體運動耦合壁面

3、動態(tài)演化的常規(guī)腐蝕過程，分析了常規(guī)腐蝕的減速腐蝕特征，得到了壁面常規(guī)腐蝕過程中各項物理參數(shù)的分布和演化趨勢。結(jié)果表明隨著常規(guī)腐蝕程度增加，通道電勢降及離子密度均減小，而通道電子溫度特別是壁面的電子溫度有所上升。通過在上述模型中調(diào)用電荷交換碰撞模塊，分析了電荷交換碰撞對通道各項物理參數(shù)分布和壁面常規(guī)腐蝕的影響。結(jié)果表明當(dāng)考慮電荷交換碰撞后，通道內(nèi)高能離子密度減少，壁面常規(guī)腐蝕情況有所減緩。通過調(diào)整模型中預(yù)電離率參數(shù)，研究了預(yù)電離率大小對通

4、道物理特性分布及對通道壁面常規(guī)腐蝕的影響。結(jié)果表明預(yù)電離不會影響通道內(nèi)主要物理特性，但由預(yù)電離引入的額外等離子體會加劇壁面的常規(guī)腐蝕。
　　本文以上述模擬結(jié)果為基礎(chǔ)對主束流方向鞘層進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明電子溫度和離子垂直壁面漂移速度對鞘層有較大影響，而等離子體密度、離子平行壁面漂移速度及徑向磁場對鞘層幾乎沒有影響；軸向振蕩電場在電子溫度較低的情況下能引起鞘層結(jié)構(gòu)性振蕩，當(dāng)電子溫度升高至約20eV時此種振蕩將被抑制；二次電子發(fā)射在

5、本文所關(guān)注的區(qū)域內(nèi)對鞘層同樣沒有影響。
　　最后通過對反常腐蝕形貌特征和產(chǎn)生區(qū)域的深度剖析，本文提出了反常腐蝕可能存在自激勵機制并進(jìn)行了詳細(xì)的論證。通過使用動態(tài)界面浸入式全粒子算法對周向鞘層進(jìn)行建模分析，模擬了離子在周向漂移波作用下對壁面濺射作用的累積效應(yīng)，從而給出了反常腐蝕激勵源的來源；緊接著文中模擬了出現(xiàn)反常腐蝕激勵源后壁面形貌演化過程，驗證了反常腐蝕形貌的自激勵過程。過程表明周向壁面出現(xiàn)反常腐蝕激勵源后，壁面附近鞘層就會發(fā)生

6、改變，在波行進(jìn)方向的一側(cè)壁面將會形成更低的電勢并吸引更多的濺射離子，最終周向壁面將形成周向間隔為電子拉莫爾半徑相當(dāng)并與附近電勢等勢線完全匹配的形貌。除了徑向起伏程度的變化，壁面在徑向上還維持著整體的腐蝕下降且此腐蝕下降速率不會隨時間或是周向壁面腐蝕程度的增加而減慢。另外，反常腐蝕激勵源影響因素的分析結(jié)果表明電子溫度的增加能夠顯著的增強激勵源，軸向振蕩電場則對激勵源有微小的增強而離子垂直壁面漂移速度對激勵源影響較小。當(dāng)壁面存在由常規(guī)腐蝕形