CN101861048B - 一种磁透镜下等离子体束聚焦的方法 - Google Patents

一种磁透镜下等离子体束聚焦的方法 Download PDF

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一种磁透镜下等离子体束聚焦的方法，它涉及一种磁透镜下等离子体束聚焦的方法。它解决了现有霍尔推力器通道内磁透镜下等离子体束聚焦仅依赖于磁透镜位形调节，调节手段单一的问题，本发明的具体过程为：步骤一：获取磁透镜位形和等离子体束聚焦指标，并计算霍尔推力器通道内的满足等离子体束聚焦指标的离子射流聚焦区；步骤二：实测霍尔推力器通道内的工质电离分布区域，控制实测获得的工质电离分布区域在计算获得的离子射流聚焦区内，实现等离子体束聚焦。本发明为霍尔推力器的广泛应用奠定了基础。

Description

一种磁透镜下等离子体束聚焦的方法
技术领域
本发明涉及一种磁透镜下等离子体束聚焦的方法。
背景技术
霍尔推力器（HET）是电推进装置的一种，广泛应用于高轨卫星位姿保持、轨道转移、深空探测等领域。HET通过电场加热电子来电离惰性气体为工质，所形成的等离子体再被电场加速喷出，形成高速定向等离子体射流，产生推力。实际使用中，对HET的要求是推力大，比冲（即离子相对于装置的平均喷出速度）高，这就必然要求加速通道中等离子体束的聚焦性好，喷射方向尽量与发动机轴向平行，因而实现等离子体束的聚焦是HET的关键技术之一。
传统的实现等离子体束聚焦的方法，主要是“磁透镜”方法：利用一定的磁透镜位形（磁场位形），实现对等离子体束的约束，达到聚焦效果。采用这种方法，只是单纯地利用磁场本身的约束效果，磁透镜位形的构建严重依赖于工质的种类，需要经过复杂的计算，并且调节手段单一，可调节性很差。
发明内容
为了解决现有霍尔推力器通道内磁透镜下等离子体束聚焦仅依赖于磁透镜位形调节，调节手段单一的问题，本发明提供了一种磁透镜下等离子体束聚焦的方法。
本发明的一种磁透镜下等离子体束聚焦的方法，它的具体过程为：
步骤一：获取磁透镜位形和等离子体束聚焦指标，并计算霍尔推力器通道内的满足等离子体束聚焦指标的离子射流聚焦区；
步骤二：实测霍尔推力器通道内的工质电离分布区域，控制实测获得的工质电离分布区域在计算获得的离子射流聚焦区内，实现等离子体束聚焦。
本发明的有益效果为：本发明提出了一种实现磁透镜下等离子体束聚焦的新方法，且实施过程简单，对工质种类依赖小，等离子体束的聚焦效果提高明显，等离子体射流的束流角<15°。
附图说明
图1是本发明的一种磁透镜下等离子体束聚焦的方法流程图，图2是具体实施五中实例中的磁透镜位形示意图，图3是具体实施方式五中实例中的利用光谱法或探针法测得的工质电离区域，图4是具体实施方式五中实例中的理想电离区的等离子体运行轨迹示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：根据说明书附图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种磁透镜下等离子体束聚焦的方法，它的具体过程为：
步骤一：获取磁透镜位形和等离子体束聚焦指标，并计算霍尔推力器通道内的满足等离子体束聚焦指标的离子射流聚焦区；
步骤二：实测霍尔推力器通道内的工质电离分布区域，控制实测获得的工质电离分布区域在计算获得的离子射流聚焦区内，实现等离子体束聚焦。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，具体实施方式一中在步骤一中，计算霍尔推力器通道内的满足等离子体束聚焦指标的离子射流聚焦区的方法为：通过求解单个离子在整个磁场内的运动轨迹 
Figure 2010101185971100002DEST_PATH_IMAGE002
，获得离子产生区域，所述离子产生区域为小于等离子体束聚焦指标的霍尔推力器通道内的离子射流聚焦区，其中，
Figure 2010101185971100002DEST_PATH_IMAGE004
表示离子径向速度，
Figure 2010101185971100002DEST_PATH_IMAGE006
表示弯曲方向，
Figure 2010101185971100002DEST_PATH_IMAGE008
表示离子轴向速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
表示时间变量。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二的进一步说明，具体实施方式一或二中在步骤二中，利用光谱法或探针法实测霍尔推力器通道内的工质电离分布区域。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一或二的进一步说明，具体实施方式一或二中在步骤二中，控制实测获得的工质电离分布区域在计算获得的离子射流聚焦区内的方法是：通过调节霍尔推力器通道内电压来改变电离截面实现的。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四的进一步说明，具体实施方式四中霍尔推力器通道内电压的调节范围为300V～600V，获得电离截面变化范围为1x10-20～3x10-20m-2。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一或二的进一步说明，具体实施方式一或二中在步骤二中，控制实测获得的工质电离分布区域在计算获得的离子射流聚焦区内的方法是：通过调节霍尔推力器通道内工质供气量来改变原子密度实现的。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六的进一步说明，具体实施方式六中，霍尔推力器通道内工质供气量飞调节范围为2～4mg/s，获得原子密度的变化范围为3x1019～6x1019m-3。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一或二的进一步说明，具体实施方式一或二中在步骤二中，控制实测获得的工质电离分布区域在计算获得的离子射流聚焦区内的方法是：通过调节霍尔推力器通道截面来改变原子密度和电子密度实现的。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式八的进一步说明，具体实施方式八中，霍尔推力器通道截面的调节范围为0～50%。
针对本实施方式，进行实例分析：
首先，根据如图2所示的磁透镜位形和等离子体束聚焦指标计算出可实现等离子体聚焦(平直射流)的理想电离区域(离子射流聚焦区)，如图3所示；然后，利用光谱法或探针法实测工质电离区域，如图4所示，并与理想电离区域进行比较，调节霍尔推力器通道内电压、霍尔推力器通道内工质供气量或霍尔推力器通道截面，使工质电离分布区域处于计算获得的理想电离区域内，实现等离子体束聚焦，即获得聚焦射流。
本实施方式中图2-图4中，1表示阳极，2表示外壁面，3表示出口截面，4表示内壁面，5表示通道中线，6为理想电离区域。
本说明书的具体实施方式四至九公开了六种调节工质电离分布区域在离子射流聚焦区内的方法，即实现等离子体束聚焦的调节手段多，同时各种调节手段可相互配合使用。

Claims (3)

1.一种磁透镜下等离子体束聚焦的方法，其特征在于它的具体过程为：
步骤一：获取磁透镜位形和等离子体束聚焦指标，并计算霍尔推力器通道内的满足等离子体束聚焦指标的离子射流聚焦区；在步骤一中，计算霍尔推力器通道内的满足等离子体束聚焦指标的离子射流聚焦区的方法为：通过求解单个离子在整个磁场内的运动轨迹
Figure FDA00001701755300011
获得离子产生区域，所述离子产生区域为小于等离子体束聚焦指标的霍尔推力器通道内的离子射流聚焦区，其中，Vr表示离子径向速度，γ表示弯曲方向，Vz表示离子轴向速度，t表示时间变量；
步骤二：实测霍尔推力器通道内的工质电离分布区域，控制实测获得的工质电离分布区域在计算获得的离子射流聚焦区内，实现等离子体束聚焦；
在步骤二中，利用光谱法实测霍尔推力器通道内的工质电离分布区域；
在步骤二中，控制实测获得的工质电离分布区域在计算获得的离子射流聚焦区内的方法是：通过调节霍尔推力器通道内电压来改变电离截面实现的；或通过调节霍尔推力器通道内工质供气量来改变原子密度实现的。
2.根据权利要求1所述的一种磁透镜下等离子体束聚焦的方法，其特征在于霍尔推力器通道内电压的调节范围为300V～600V，获得电离截面变化范围为1x10-20～3x10-20m-2。
3.根据权利要求1所述的一种磁透镜下等离子体束聚焦的方法，其特征在于霍尔推力器通道内工质供气量飞调节范围为2～4mg/s，获得原子密度的变化范围为3x1019～6x1019m-3。
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