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霍尔推进器放电通道壁面鞘层特性PIC模拟研究
摘要
霍尔推进器作为一种新型的电推进技术，其在推进效率、耐用性等方面具有一定的优势，但其放电通道壁面鞘层的特性一直是研究的重点。本文基于PIC模拟方法，研究了霍尔推进器放电通道壁面鞘层特性。结果表明，在不同工况下，壁面鞘层的电学特性和空气动力学特性均存在差异，并且存在一定的关联性；同时，壁面鞘层内部的等离子体密度和流速分布也对整个放电过程产生了显著的影响。
关键词：霍尔推进器，PIC模拟，鞘层特性，等离子体密度，流速分布
Abstract
ThecharacteristicsofthesheathlayeronthewallofthedischargechannelofHallthrusterhavealwaysbeenaresearchfocus.BasedonthePICsimulationmethod,thispaperstudiedthecharacteristicsofthesheathlayeronthewallofthedischargechannelofHallthruster.Theresultsshowthattheelectricalandaerodynamiccharacteristicsofthesheathlayeraredifferentunderdifferentoperatingconditions,andthereisacertaincorrelationbetweenthem.Atthesametime,thedensityandflowvelocitydistributionoftheplasmainsidethesheathlayeralsohaveasignificantimpactontheentiredischargeprocess.
Keywords:Hallthruster,PICsimulation,sheathlayercharacteristics,plasmadensity,flowvelocitydistribution
1.引言
霍尔推进器是一种基于等离子体物理的新型电推进技术，其在航天飞行器、卫星等领域应用广泛。在霍尔推进器中，高能电子流在较强的磁场作用下加速并聚焦于放电通道中心，从而形成高离子化的等离子体流。而在放电通道内壁面周围形成了一个被称为鞘层（sheathlayer）的区域，该区域内部的等离子体与外部环境处于电学上严格的分离状态，对推进器放电过程具有重要的影响。
鞘层的形成与其内部等离子体密度、空气动力学特性、电学特性等密切相关。此外，壁面上的边界条件、电极结构等也会对鞘层产生重要的影响。因此，研究霍尔推进器放电通道壁面鞘层特性对于推进器的性能优化和设计具有重要的意义。
本文基于PIC（particle-in-cell）模拟方法，对霍尔推进器放电通道壁面鞘层特性进行研究。
2.研究方法
2.1PIC模拟原理
PIC模拟方法是一种基于粒子动力学和有限差分法的计算方法，用于模拟等离子体的运动和相互作用。具体而言，PIC模拟将模拟区域划分为若干离散单元，并在每个单元内模拟等离子体中的粒子和场量（如电场、磁场等）的动态演化。通过求解粒子和场量的运动方程，可以获得等离子体在整个区域内的运动状态和空间分布，以及对场量的反馈作用。
2.2PIC模拟流程
在本研究中，采用PIC2D软件进行模拟。其模拟流程如下：
1）离散化：将模拟区域按网格划分为离散的单元，将粒子和场量值在网格节点上进行离散化。
2）初始化：设置初始场量、粒子种类和初始分布等。
3）求解场量：根据粒子的位置和速度，通过有限差分法求解电场和磁场。
4）计算粒子的电荷密度：根据粒子种类和粒子的位置和速度，计算每个单元内的电荷密度。
5）求解电势：根据Poisson方程求解电势分布。
6）计算粒子运动：根据粒子在不同电场和磁场作用下的动力学方程求解粒子的运动轨迹。
7）更新粒子状态：根据计算出的电势和粒子的运动轨迹，更新粒子的状态（如位置、速度、电荷等）。
8）迭代计算：重复以上步骤，直到达到计算终止条件。
3.研究结果与讨论
在进行霍尔推进器放电通道壁面鞘层特性研究时，我们考虑了不同的操作工况和放电通道结构参数，如磁场强度、电子注入速率、壁面类型等。下面分别讨论了不同工况下的研究结果。
3.1壁面鞘层的电学特性
地球轨道上的大多数航天器需要在大气层中进行一定时间的航天活动，因此必须考虑壁面鞘层对放电通道有害等效电路的影响。在本研究中，我们通过改变放电通道壁面材料等因素，研究了鞘层对等效电路参数的影响。
图1.霍尔推进器放电通道壁面鞘层的电学特性
如图1所示，当放电通道壁面采用不同的材料时，鞘层内的电场强度和等效电路参数均产生了明显的变化。其中，Ez表示沿z方向