關于申報“國家級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目”的通知

1、 霍爾推進器通道內電子傳導特性研究 電氣工程學院PAGE PAGE 25霍爾推進器通道內電子傳導特性研究 尚方 陳超 趙欣爽 詹彥電氣工程及自動化學院指導教師：鄂鵬一、課題背背景及研研究目的的霍爾推進器器的應用背背景及工工作原理理隨著衛(wèi)星技技術的迅迅速發(fā)展展以及人人類對太太空探索索的不斷斷加速，相相應為航航天器軌軌道飛行行任務提提供機動動力的推推進技術術也在不不斷的發(fā)發(fā)展。就就目前已已經成熟熟在太空空飛行器器上應用用的各種種推進方方式而言言，以其其產生推推動力的的能量來來源進行行分類，可可分為化化學推進進（Chhemiicall Prropuulsiion）和和電推進進（Ellecttricc

2、 Prropuulsiion,簡稱EEP）兩兩種基本本方式1。化化學推進進通過推推進劑化化學燃燒燒產生的的氣體在在噴管中中膨脹產產生反沖沖推力，而而電推進進則是通通過各種種不同的的方式使使電能轉轉化為推推進劑氣氣體的反反沖動能能而產生生推力。電電推進在在地球軌軌道飛行行任務中中（比如如軌道插插入、軌軌道轉移移、姿態(tài)態(tài)控制、軌軌道保持持和降軌軌等）具具有很多多優(yōu)勢并并逐漸取取代化學學推進方方式。傳傳統的化化學推進進裝置比比沖一般般小于8800ss，而電電推進裝裝置的典典型比沖沖要高于于15000s，因因此采用用電推進進作為航航天器的的推進系系統時，其其所需攜攜帶推進進劑的質質量將大大大降低低，提

3、高高航天器器的有效效載荷率率，降低低發(fā)射費費用。另另外，電電推進器器裝置的的推力較較小，一一般在幾幾mN幾十mmN的量量級，因因而有助助于實現現飛行器器的高精精度定位位，這對對于發(fā)展展多顆微微小衛(wèi)星星通過組組網與編編隊飛行行來完成成各種復復雜精密密任務具具有重要要的意義義2, 3?；魻枺℉aall）推推進器（如如 REF _Ref207717051 h * MEERGEEFORRMATT 圖 1所示）是是一種技技術相對對成熟的的電推進進裝置，自自從19972年年成功應應用于前前蘇聯“流流星號”衛(wèi)衛(wèi)星以來來，目前前已有超超過2000 顆顆航天器器采用霍霍爾推進進器作為為主推進進系統或或輔助推推進

4、系統統（工作作時的羽羽流如圖圖 2）4。 圖 SEQ 圖 * ARABIC 1 霍霍爾推進進器（哈哈爾濱工工業(yè)大學學 P770型實實驗樣機機） 圖 SEQ 圖 * ARABIC 2霍爾推推進器放放電圖 霍爾推進器器利用電電能將工工質氣體體（通常常使用惰惰性氣體體，普遍遍為氙）電電離生成成等離子子體并利利用通道道內的軸軸向電場場將離子子加速噴噴出獲得得推力。其其具體結結構和工工作原理理如圖33所示：分別將將兩個半半徑不同同的陶瓷瓷套管固固定在同同一軸線線上組成成了具有有環(huán)形結結構的等等離子體體放電通通道。在在推進器器的陽極極和陰極極之間施施加一定定的電壓壓，內外外磁線圈圈和磁極極將在通通道內產產

5、生磁場場，磁場場構型由由整體磁磁路結構構和勵磁磁電流共共同決定定，正常常工作狀狀態(tài)下，通通道內磁磁場方向向主要沿沿通道半半徑方向向。在徑徑向磁場場的條件件下，陽陽極和陰陰極之間間的放電電等離子子體在通通道內將將產生自自洽的軸軸向電場場，這樣樣，在環(huán)環(huán)形通道道內將形形成正交交的電磁磁場。電電子在正正交電磁磁場作用用下形成成了周向向漂移運運動，形形成的電電流我們們稱之為為halll電流流。由于于磁場對對電子的的束縛作作用，電電子不能能直接流流向陽極極出現短短路的情情況，陽陽極與陰陰極之間間的電勢勢差的絕絕大部分分都落在在通道內內接近出出口的強強磁場區(qū)區(qū)域，在在這個區(qū)區(qū)域，被被磁場束束縛住的的大量電

6、電子與陽陽極注入入的推進進劑原子子發(fā)生碰碰撞，并并使其電電離形成成離子，離離子在通通道內軸軸向電場場的作用用下加速速噴出形形成反沖沖推力，同同時電子子通過各各種傳導導機制到到達陽極極，在通通道內實實現了穩(wěn)穩(wěn)定的等等離子體體放電過過程，由由于噴出出的離子子流會和和陰極發(fā)發(fā)射的電電子中和和，因此此推進器器在工作作過程中中不會產產生負電電荷積累累，一直直保持電電中性6。圖 SEQ 圖 * ARABIC 3 霍爾推推進器工工作原理理圖影響霍爾推推進器性性能的主主要因素素影響霍爾推推進器性性能的主主要因素素有很多多，如離離子流的的發(fā)散角角大小、通通道陶瓷瓷材料特特性及表表面形貌貌等，然然而，很很多研究究

7、成果表表明電導導率分布布是影響響霍爾推推進器性性能的主主要因素素，是霍霍爾推進進器設計計中的關關鍵技術術之一7，88。所以合合理的電電導率分分布對霍霍爾推進進器的性性有決定性性的影響響，因此此研究霍霍爾推進進器內的的三種電電子傳導導機制是是研究合合理電導導分布的的前提。合理的電導導率分布布霍爾推進器器通道內內的等離離子放電電是一個個復雜并并且自洽洽的物理理過程，在在研究過過程中，研研究者廣廣泛采用用了根據據放電性性質的差差異將通通道劃分分為三個個典型特特征區(qū)域域，它們們分別是是近陽極極區(qū)、原原子電離離區(qū)和離離子加速速區(qū)（ REF _Ref207862282 h * MERRGEFFORMMAT

8、 圖 4）。近近陽極區(qū)區(qū)是通道道內靠近近陽極位位置的區(qū)區(qū)域，該該區(qū)域內內的磁場場強度和和電勢降降很小；原子電電離區(qū)是是電子溫溫度和電電子密度度較高的的區(qū)域，在在該區(qū)域域從陽極極注入的的推進劑劑原子同同電子發(fā)發(fā)生碰撞撞電離成成為離子子；離子子加速區(qū)區(qū)是通道道內磁場場最強的的區(qū)域，放放電電壓壓主要集集中在該該區(qū)域，離離子在該該區(qū)域的的強電場場作用下下被加速速噴出產產生推力力9，110。軸向傳導電電流對霍霍爾推進進器的性性能有重重要影響響，因為為電導機機制決定定著電源源電勢降降在通道道內不同同區(qū)域的的分配，最最終會影影響霍爾爾推進器器通道內內不同區(qū)區(qū)域所發(fā)發(fā)生的物物理過程程111。如如圖5所示，從從

9、電導的的角度來來看，霍霍爾推進進器通道道的各個個區(qū)域都都可以看看作為等等效電阻阻，整個個推進器器通道可可以看作作是各部部分等效效電阻的的串連，各各部分阻阻值的分分配決定定了整個個電源的的電勢降降在各部部分上的的分配。因因此，需需要根據據各部分分的物理理過程決決定霍爾爾推進器器通道內內合理的的電導分分布。 圖 SEQ 圖 * ARABIC 4 霍霍爾推進進器通道道內特性性區(qū)域 圖 SEQ 圖 * ARABIC 5 霍霍爾推進進器通道道內電導導軸向分分布示意意圖（1）近陽陽極區(qū)。為為了保證證有足夠夠的電子子到達陽陽極以維維持放電電的穩(wěn)定定性，這這個區(qū)域域的電導導率相對對需要較較大。（2）電離離區(qū)。

10、霍霍爾推進進器內的的電離過過程是電電子和中中性的推推進劑原原子發(fā)生生碰撞所所產生的的，電離離對于電電子能量量的損耗耗明顯，為為了保證證電子具具有足夠夠的能量量向陽極極遷移以以維持放放電，該該區(qū)域的的電導率率要根據據電子溫溫度的變變化向陽陽極方向向逐漸增增大。（3）加速速區(qū)。加加速區(qū)是是推進器器出口處處一段很很窄的區(qū)區(qū)域，在在這個區(qū)區(qū)域需要要建立“過過熱”電電場，即即具有較較大的電電勢降。對對離子而而言，這這是為了了獲得較較高的加加速電壓壓，使推推進器具具有較高高的比沖沖和效率率，另外外，電勢勢降在很很窄的區(qū)區(qū)域能減減少出射射離子對對通道壁壁面的濺濺射，延延長推進進器的壽壽命。對對電子而而言，要

11、要使電子子從陰極極穿越加加速區(qū)到到達電離離區(qū)的過過程中得得以“升升溫”，確確保電場場提供給給電子的的能量足足以彌補補電子遷遷移過程程中因碰碰撞而造造成的損損失，使使作為電電離“種種子”的的電子具具有足夠夠的能量量，因此此要求電電場過熱熱度，這這樣就要要求該區(qū)區(qū)域的電電導率較較小。通過上面的的分析可可以得出出霍爾推推進器通通道內理理想的電電導率軸軸向分布布（如下下 REF _Ref207967611 h * MEERGEEFORRMATT 圖 6所示）。圖 SEQ 圖 * ARABIC 6霍霍爾推進進器通道道內理想想電導率率軸向分分布示意意圖霍爾推進器器通道內內的電導導機制發(fā)動機通道道內的電電子

12、被正正交電磁磁場位形形約束在在某一有有限區(qū)域域內做圓圓周方向向的穩(wěn)定定霍爾漂漂移運動動，并不不產生軸軸向位移移，因此此不會有有宏觀傳傳導電流流產生；只有當當其他因因素破壞壞了電子子這種穩(wěn)穩(wěn)定霍爾爾漂移運運動以后后，電子子才會在在軸向電電場作用用下沿通通道軸向向進行遷遷移，表表現出宏宏觀的傳傳導電流流。目前前發(fā)現在在霍爾推推進器的的通道中中共存在在以下三三種破壞壞電子穩(wěn)穩(wěn)定霍爾爾漂移運運動的因因素：電電子與重重粒子碰碰撞、等等離子體體集體振振蕩、電電子與壁壁面碰撞撞，分別別稱由以以上三種種因素引引起的電電子傳導導為經典典傳導、玻玻姆（BBohmm）傳導導和近壁壁傳導12。經典傳導與重粒子碰碰撞（

13、一一般以與與中性原原子碰撞撞為主）產產生的經經典傳導導機制是是等離子子物理中中發(fā)現最最早的一一種傳導導機制，由其引起的的軸向傳傳導電流流可以寫寫成（11）式的的形式13，114。(1)其中，是電電子與中中性原子子碰撞頻頻率；是是電子回回旋頻率率；是電電子密度度；當的時候，（11）式可可以寫作作(2)可見，與重重粒子碰碰撞引起起的電子子軸向傳傳導電流流與電子子密度成成正比，與與磁場強強度的平平方成反反比。近壁傳導近壁傳導機機制最初初是由AA.I.Morrozoov在研研究穩(wěn)態(tài)態(tài)等離子子發(fā)動機機的背景景下提出出的，之之后逐漸漸建立起起相應的的理論體體系。與經典傳導導相似的的是近壁壁傳導也也是由于于

14、碰撞破破壞了電電子的霍霍爾漂移移運動而而產生的的一種軸軸向電導導機制，但但其不同同的是近近壁傳導導是由于于電子與與發(fā)動機機通道壁壁面的碰碰撞而引引起的。近近壁傳導導引起的的軸向傳傳導電流流與經典典傳導相相似，可可寫作（3）式的形式15，16，17。(3)玻姆傳導在實際等離離子體放放電裝置置中，常常常會發(fā)發(fā)現軸向向傳導電電流比（22）式預預言的要要大，玻玻姆在實實驗中發(fā)發(fā)現軸向向傳導電電流與成成反比，而而不是（22）式中中所示的的。經研研究發(fā)現現這是由由于當等等離子體體存在振振蕩的時時候，會會引起電電場同步步振蕩從從而電子子橫越磁磁場的擴擴散加劇劇，最終終表現為為軸向傳傳導電流流增加，這這種由等

15、等離子體體振蕩引引起的傳傳導被稱稱為玻姆姆傳導機機制118，119。之后，Yooshiikawwa和RRosee系統研研究了玻玻姆傳導導機制，并并建立了了相應的的理論。在在玻姆傳傳導機制制作用下下，軸向向傳導電電流可寫寫成（44）式的的形式20，221，222。(4)其中，是霍霍爾系數數，在玻玻姆的早早期工作作中認為為。本項目研究究目的及及意義本項目的研研究目的的在于通通過控制制霍爾推推進器通通道內電電導率分分布，從從而調節(jié)節(jié)電勢沿沿通道軸軸向的分分布，優(yōu)優(yōu)化推進進器的工工作性能能。目前針對霍霍爾推進進器通道道內電勢勢分布優(yōu)優(yōu)化的設設計手段段主要有有增加中中間電極極、改變變磁路系系統結構構等，

16、雖雖然這類類設計手手段能在在一定程程度上優(yōu)優(yōu)化電勢勢在通道道內的分分布，但但是這種種調節(jié)手手段只是是在電極極和磁極極附近對對電勢的的調節(jié)作作用比較較明顯，針針對離電電極和磁磁極較遠遠的區(qū)域域調節(jié)作作用有限限，因而而這類設設計手段段嚴格來來說是局局部優(yōu)化化，而非非全局優(yōu)優(yōu)化。本本項目給給出的設設計方法法主要是是改變通通道內陶陶瓷表面面的形貌貌，并輔輔以磁場場強度的的調節(jié)，從從而實現現在通道道內各等等離子體體放電功功能區(qū)域域的電導導率優(yōu)化化，因而而這種設設計方法法是一種種全局優(yōu)優(yōu)化，根根據目前前所掌握握的公開開發(fā)表文文獻資料料，還沒沒有研究究者提出出這種設設計思想想。本項項目給出出的設計計方法能能

17、夠進一一步豐富富霍爾推推進器的的優(yōu)化設設計體系系，對促促進霍爾爾推進技技術的發(fā)發(fā)展有著著較為重重要的理理論意義義和實際際意義。二、課題研研究主要要內容經典傳導由由電子與與重離子子碰撞產產生，近近壁傳導導由電子子與通道道壁面的碰碰撞產生生。雖然然二者都都是由于于碰撞破破壞了電電子穩(wěn)定定霍爾漂漂移運動動引起的的，但是是由于碰碰撞發(fā)生生的位置置不同，所所以對于于整個發(fā)發(fā)動機通通道內電電導的貢貢獻也不不盡相同同。電子子與重粒粒子碰撞撞引起的的經典傳傳導發(fā)生生于整個個通道，與與通道的的容積相相關，可可以稱之之為容積積傳導；而電子子與壁面面碰撞引引起的近近壁傳導導只發(fā)生生于通道道的壁面面附近，與與通道的的

18、表面積積相關，所所以可稱稱之表面面?zhèn)鲗??；艋魻柾七M進器的容容積很小小，電子子與重粒粒子碰撞撞的幾率率比較小小，平均均自由程程大約在在米的量量級。相相對于霍霍爾推進進器的體體積而言言，其表表面積很很大，電電子與壁壁面的碰碰撞幾率率就比較較大，等等效平均均自由程程與通道道寬度相相同，大大約在厘厘米量級級。因此此，在霍霍爾推進進器通道道內，近近壁傳導導相對經經典傳導導來說占占主導23。玻姆傳導是是等離子子體振蕩蕩引起的的一種電電子傳導導機制，與與通道內內的磁場場位形有有關。這這種傳導導機制與與經典傳傳導、近近壁傳導導機制（由由碰撞產產生）有有著本質質上的不不同。大大量的研研究表明明玻姆傳傳導是產產生

19、電子子反常輸輸運現象象的主要要因素之之一224, 25。本項目基于于近壁傳傳導和玻玻姆傳導導的作用用機理，通通過理論論和實驗驗相結合合的手段段研究它它們對霍霍爾推進進器通道道內電導導率分布布的控制制規(guī)律，豐豐富霍爾爾推進器器性能優(yōu)優(yōu)化的設設計體系系。三種電子傳傳導機制制如下圖圖7所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 7 三三種傳導導機制比比較圖近壁傳導機機制的控控制規(guī)律律通道壁面形形貌是影影響近壁壁傳導的的關鍵因因素等離子體與與通道壁壁面的相相互作用用會在壁壁面之前前形成等等離子體體鞘層區(qū)區(qū)。等離離子體鞘鞘層會隨隨著壁面面形貌的的變化而而變化，壁壁面形貌貌通過對對鞘層的的影響最最終影響響霍爾

20、推推進器通通道內的的近壁傳傳導電流流。當霍爾推進進器壁面面形貌的的粗糙尺尺度遠小小于鞘層層厚度的的時候，鞘鞘層邊界界基本不不受壁面面粗糙度度的影響響，與電電子打向向壁面的的徑向方方向垂直直，鞘層層電場的的方向也也將嚴格格沿徑向向。該徑徑向鞘層層電場的的存在將將發(fā)動機機通道中中的電子子按照鞘鞘層電勢勢分作能能量高于于鞘層勢勢壘的高高能電子子和能量量低于鞘鞘層勢壘壘的低能能電子兩兩類。只只有高能能量電子子可以克克服鞘層層能量勢勢壘與壁壁面發(fā)生生碰撞從從而對近近壁電導導有貢獻獻，如圖圖8中位位置2處處的電子子運動所所示；低低能量電電子則被被內外壁壁面附近近的鞘層層封閉在在通道的的有限區(qū)區(qū)域內無無法與

21、壁壁面發(fā)生生碰撞，對對近壁傳傳導沒有有貢獻，如如圖8中位位置1處處的電子子運動所所示。因因此，類類比于經經典電導導中電子子與重粒粒子碰撞撞產生的的碰撞截截面的概概念，可可以提出出近壁電電導中電電子與壁壁面碰撞撞的“等效碰碰撞截面面”的概念念。如圖圖9所示示，經典典傳導中中電子與與重粒子子的碰撞撞截面隨隨電子能能量函數數的變化化是連續(xù)續(xù)的，而而近壁傳傳導中電電子與壁壁面的碰碰撞截面面隨電子子能量函函數的變變化則是是階躍的的，其中中斷點就就是鞘層層電場形形成的勢勢壘。鞘鞘層電場場的存在在阻止了了部分低低能量電電子與壁壁面發(fā)生生碰撞引引起的近近壁傳導導，鞘層層的勢壘壘越強，被被阻止參參與近壁壁傳導的

22、的電子也也就越多多266。 圖 SEQ 圖 * ARABIC 8 鞘鞘層對電電子運動動的影響響示意圖圖 圖 SEQ 圖 * ARABIC 99 電子子碰撞截截面示意意圖而當霍爾推推進器壁壁面的粗粗糙尺度度大于鞘鞘層的厚厚度時，相比時鞘層形形狀會發(fā)發(fā)生較大大的變化化，這就影響響到了推推進器通通道內的的近壁傳傳導。如如圖100所示，此此時鞘層層邊界會會隨著壁壁面形貌貌的變化化而變化化。當鞘鞘層邊界界與通道道徑向垂垂直的時時候（如如圖100位置11處所示示），近近壁傳導導與微粗粗糙度的的情況相相同；當當鞘層邊邊界與通通道徑向向不垂直直的時候候（如圖圖10位位置2處處所示），低低能量的的電子進進入鞘層

23、層以后雖雖然仍被被鞘層勢勢壘封閉閉，不會會與壁面面發(fā)生碰碰撞，但但是經過過鞘層電電勢場的的鏡面反反射以后后，低能能量的電電子與入入射前相相比，其其各個方方向上的的能量將將會重新新分配27。圖 SEQ 圖 * ARABIC 10 鞘層隨隨壁面形形貌的變變化假設鞘層厚厚度穩(wěn)定定不變，從從一般意意義上來來講，在在直角坐坐標系下下，霍爾爾推進器器絕緣壁壁面附近近的鞘層層電場可可分解為為（如圖圖11所所示）：（5）沿電子在鞘鞘層內的的運動路路徑L積分，并并考慮電電場的保保守性，可可得鞘層層對運動動電子的的影響： （6）式中：和為為鞘層表表面上電電子入射射和出射射位置；表達式式中的三三項分別別是鞘層層對霍

24、爾爾推進器器通道內內電子軸軸向、徑徑向和周周向運動動能量的的影響。 圖 SEQ 圖 * ARABIC 11 鞘層電電場分解解示意圖圖 圖圖 SEQ 圖 * ARABIC 122 電子子被鞘層層的鏡面面反射示示意圖方程（6）表表明對于于入射能能量小于于（鞘層層電勢）的的低能量量電子而而言，電電子進出出鞘層以以后總能能量變化化量，即即鞘層電電場不對對其做功功。但是是在一般般情況下下而言，電電子進出出鞘層以以后，各各方向的的能量變變化量即即鞘層電電場會改改變電子子總能量量在各方方向上的的分配。如如上圖112所示示，設電電子引導導中心入入射速度度為，經經過鞘層層的鏡面面反射以以后電子子出射的的速度將將

25、為：（6a）其中：（6b）因此，進出出鞘層以以后低能能量電子子在各方方向上的的速度和和能量變變化量分分別為：（7a）（7b）（7c）可見，低能能量電子子進出鞘鞘層以后后與直接受受當地鞘鞘層邊界界形狀參參數（和和）的影影響。當當通道壁壁面存在在大粗糙糙形貌時時，鞘層層邊界會會隨著通通道壁面面的形狀狀而發(fā)生生變化，鞘鞘層電場場的方向向不再沿沿徑向（），此時低能量電子沿徑向磁力線方向以速度，進入鞘層反射出來后導向中心的速度變?yōu)?，此時鞘層將會改變電子在各方向的能量分配，即。因此，低能量電子被鞘層鏡面反射以后，在霍爾漂移方向的能量會發(fā)生變化，即破壞其穩(wěn)定霍爾漂移運動，進而產生軸向位移，表現為低能量電子也

26、會參與近壁傳導。利用這一物理過程，可以人為劃取一定長度、寬度和深度的溝槽來改變宏觀的壁面形貌以滿足電導沿通道的特定要求。采用軸向變變化的壁壁面形貌貌優(yōu)化發(fā)發(fā)動機性性能通道壁面的的形貌特特點對霍霍爾推進進器內部部物理過過程的影影響具有有普遍和和重要的的意義，因因此就自自然地引引出了尋尋找合適適的壁面面形貌來來優(yōu)化霍霍爾推進進器性能能指標的的問題。目目前霍爾爾推進器器內整個個陶瓷套套筒壁面面粗糙程程度均一一，這樣樣通道內內鞘層電電場的方方向一致致，因此此只能夠夠從整體體上來選選擇最優(yōu)優(yōu)的壁面面粗糙程程程度，限限制了通通過局部部優(yōu)化而而達到整整體最佳佳優(yōu)化效效果的可可能性。為了同時對對霍爾推推進器

27、內三個個不同區(qū)區(qū)域實現現優(yōu)化目目標，就就要找到到一種可可行的方方案能夠夠對霍爾爾推進器器的整體體實現最最優(yōu)化，而而不僅僅僅是局部部?？梢砸钥紤]將將原有壁壁面整體體單一粗粗糙程度度的問題題拓展到到實現壁壁面形貌貌沿軸向向變化的的設計問問題，以以實現在在不同的的區(qū)域內內通過采采用相應應的不同同壁面形形貌來進進行性能能優(yōu)化。這這樣就能能夠大大大增強推推進器設設計的自自由度。這這一設計計理論的的基礎就就是對通通道內工工作特性性的不同同的三個個典型區(qū)區(qū)域通過過選擇合合適的軸軸向電導導率進行行性能優(yōu)優(yōu)化。根據實際工工況在霍霍爾推進進器通道道內以不不同物理理機制工工作的不不同區(qū)域域劃取一一定長度度、寬度度和

28、深度度的溝槽槽可以改改變宏觀觀的避面面形貌以以滿足電電導沿通通道的特特定要求求（2.2.11 中已已做分析析）。這這樣不僅僅能使高高能量的的電子參參與傳導導，而且且還能使使原來被被鞘層勢勢壘和磁磁場束縛縛的低能能電子也也參與傳傳導，從從而提高高了電子子的傳導導能力，降降低了此此區(qū)域軸軸向電壓壓降，使使放電的的通暢性性和穩(wěn)定定性得以以提高需要指出的的是，由由于非平平滑的壁壁面形貌貌是通過過其表面面鞘層電電場的反反射來實實現電子子的傳導導，所以以采用軸軸向變化化的壁面面形貌不不僅不會會損失能能量，而而且電子子還會從從鞘層電電場中獲獲得能量量。另外外，這種種傳導方方式對壁壁面材料料特性依依賴很小小，

29、當霍霍爾推進進器長時時間工作作造成壁壁面有沉沉積物（離離子流對對真空罐罐或其它它“靶”材料的的轟擊造造成負離離子進入入推進器器通道）產產生時，也也不會對對這種傳傳導產生生影響。這這種人為為劃取的的表面溝溝槽尺寸寸要比原原子半徑徑大很多多，因此此即使霍霍爾推進進器長時時間運行行，離子子和電子子對壁面面的濺射射也不會會對壁面面的表面面形貌產產生大的的影響。玻姆傳導機機制的控控制規(guī)律律在前面已經經介紹，玻玻姆傳導導是一種種等離子子體湍流流運動引引起的電電子傳導導機制，所所產生的的電導率率大小與與所施加加磁場強強度的平平方成反反比。霍霍爾推進進器通道道內的典典型磁場場位形及及磁場強強度沿軸軸向的分分布

30、分別別如下圖圖13和和圖144所示。由于改變通通道壁面面形貌后后能促進進該區(qū)域域的慢電電子（低低能電子子）向陽陽極方向向的傳導導，而若若要抑制制某區(qū)域域電子的的傳導，則則只能通通過增加加此區(qū)域域的磁場場強度，限限制玻姆姆傳導。 圖 SEQ 圖 * ARABIC 13 實驗驗樣機通通道內的的磁場位位形 圖 SEQ 圖 * ARABIC 144 實驗驗樣機典典型徑向向磁場軸軸向分布布實驗分析及及驗證實驗裝置（1）推進進器推進器樣機機環(huán)形陶陶瓷通道道外徑、寬寬、長，見見圖155所示。內內陶瓷套套筒的外外圓面上上沿圓周周方向均均勻開有有四個槽槽，每個個槽的尾尾端都與與內陶瓷瓷套筒的的尾端之之間的距距離

31、為；外陶瓷瓷套筒的的內圓面面上沿圓圓周方向向均勻開開有四個個溝槽，每每個槽的的長度方方向中心心線都與與外陶瓷瓷套筒的的軸心線線相平行行，每個個溝槽的的尾端都都與外陶陶瓷套筒筒的尾端端之間的的距離為為，如圖116所示示。 圖 SEQ 圖 * ARABIC 15 實驗樣樣機結構構圖 圖 SEQ 圖 * ARABIC 166 劃溝溝后的陶陶瓷套筒筒（2）真空空系統真空罐長，直直徑，真真空系統統由兩臺臺抽速為為的油擴擴散泵實實現并維維持真空空度，真真空系統統靜壓能能達到，推進器器供氣流流量為時時，真空空罐內壓壓強約為為。如 REF _Ref207899732 h 圖 177所示。圖 SEQ 圖 * A

32、RABIC 17 真空罐罐（3）測量量設備 本實驗采采用的測測量設備備有泰克克TDSS20224示波波器、推推力儀、朗朗繆爾探探針、和和Avaa八通道道光柵光光譜儀和和高斯計計（如 REF _Ref207971867 h * MMERGGEFOORMAAT 圖圖 188所示）。光光譜儀的的測量范范圍為，分分辨率小小于，考考慮到光光譜儀探探測器敏敏感度的的影響，實實驗測量量時一般般僅涉及及的波段段，為抑抑制噪聲聲和防止止信號飽飽和，測測量積分分時間選選為。為了減減小光纖纖帶寬對對光譜輻輻射強度度測量的的影響，在在接收光光纖頭部部安裝了了一個直直徑6mmm的準準直鏡，這這樣只有有直徑66mm內內的

33、平行行光才能能被光譜譜儀接收收處理，提提高了測測量精度度。推進進器通道道內德拜拜半徑在在左右，而而電子的的拉莫爾爾半徑在在的量級級，為減減小探針針對等離離子體的的擾動并并保證足足夠的接接收面積積，確定定鎢絲的的直徑為為，氧化化鋁陶瓷瓷套筒直直徑。 圖 SEQ 圖 * ARABIC 18 光譜分分析儀與與高斯計計朗繆爾探針針和光纖纖探頭的的位置如如下 REF _Ref207900181 h * MMERGGEFOORMAAT 圖圖 199所示，朗朗繆爾探探針緊靠靠外陶瓷瓷套筒，記記錄探針針的伏安安特性曲曲線，為為減小離離子流對對探針的的燒蝕，探探針的敏敏感部分分超出陶陶瓷內壁壁面僅；光纖探探頭采

34、集集出口截截面的光光譜輻射射強度，為為避免外外陶瓷套套筒外緣緣略超出出出口截截面帶來來的影響響，將探探頭放置置在軸向向和徑向向分別距距出口截截面中心心和的位置置，另外外，考慮慮到掃描描方向上上不能有有任何障障礙，安安裝時使使朗繆爾爾探針和和光纖探探頭的朝朝向在周周向成角角。在抽抽真空之之前，對對推力儀儀和光譜譜儀進行行標定。圖 SEQ 圖 * ARABIC 19 朗繆爾爾探針、光光纖探頭頭與推力力器的相相對位置置示意圖圖實驗結果（1）壁面面形貌對對電子傳傳導的影影響陶瓷套筒未未開槽，在在放電電電壓，工工質質量量流量（氙氙氣，純純度）；其推力力,比沖沖,效率率；劃溝溝后的實實驗樣機機進器在在同樣

35、的的工質氣氣體、放放電電壓壓和工質質質量流流量的條條件下其其推力,比比沖,效效率。對對比二者者的結果果，可以以看出，劃劃溝后的的推力器器性能有有了明顯顯的提高高。其效效率能夠夠提高個個百分點點。（2）磁場場強度對對電子傳傳導的影影響通道內的特特征磁場場強度小小于（對對應最小小放電電電流）時時，當特特征磁場場強度時時，離子子電流的的大小幾幾乎不隨隨發(fā)生變變化，電電子電流流與成平方方反比關關系。但但當時，發(fā)發(fā)現了一一些不符符合現有有電子傳傳導理論論的特殊殊現象：隨著磁磁場強度度的增加加，電子子電流逐逐漸變大大，離子子電流變變化很小小，時，進進入“平臺區(qū)區(qū)”（在此此區(qū)域隨隨的變化化較小，而而有較大大

36、幅度的的增加），經經過此“平臺區(qū)區(qū)”后，又隨隨的增加加而迅速速變大，而而幾乎保保持不變變。三、結論本課題通過過對霍爾爾推力器器通道內內電子傳傳導行為為的研究究，得出出了如下下成果：1、改變通通道陶瓷瓷表面形形貌的非非均一設設計方法法該設計方法法是通過過在陶瓷瓷表面劃劃取沿圓圓周方向向的溝槽槽改變電電子向陽陽極方向向的傳導導特性，從從而調節(jié)節(jié)電導率率的軸向向分布，是是一種針針對霍爾爾推進器器通道內內電勢分分布的全全局優(yōu)化化方法。（該成果已申請國家發(fā)明專利并得到受理，申請?zhí)枺?00710144976.6，詳見附錄一）2、發(fā)現了了電子電電流“反常突突變”現象通過實驗發(fā)發(fā)現了霍霍爾推進進器在強強磁場下

37、下電子的的特殊傳傳導行為為，現有有的電子子輸運理理論無法法解釋，針針對這一一現象，在在強磁場場工況下下，進行行了較為為系統的的推進其其性能測測試和內內部等離離子體參參數的診診斷。（該該成果已已整理成成論文“AAn EExpeerimmenttal Stuudy of Loccal Maggnettic Fieeld Inttenssityy Efffeccts on thee Diischhargge CCharractteriizattionn off Haall Thrrustterss”，被被ICEEMS220088國際會會議錄用用，EII待檢，詳詳見附錄錄二）四、問題、體體會與收收獲問

38、題：雖然在近壁壁傳導和和強磁場場下的電電子傳導導研究方方面取得得了一些些階段性性的成果果，但是是由于時時間和精精力有限限，沒能能對陶瓷瓷劃溝優(yōu)優(yōu)化后的的推進器器進行性性能實驗驗，另外外，對于于強磁場場下推進進器的實實驗診斷斷缺乏等等離子高高頻及超超高頻段段振蕩的的信息，因因而對電電子電流流“反常突突變”現象背背后的物物理本質質缺乏足足夠的認認識。體會與收獲獲：回想科技創(chuàng)創(chuàng)新項目目從申請請到結題題的歷程程，我們們的收獲獲不勝枚枚舉。項項目申請請之前，我我們對科科研的方方方面面面一無所所知，而而現在，我我們已經經從整體體上對研研究的過過程有了了初步的的認識。從從根本意意義上說說，這種種認識是是一種

39、科科學的思思維方式式，這也也是今后后的學習習、工作作中不可可缺少的的素質。我我們的組組員來自自不同的的專業(yè)，在在這一年年里我們們相互學學習，并并向老師、師師兄虛心心請教，第第一次將將課堂上上很多分分立的學學科融合合起來并并應用于于實際。我我們用書書上學來來的理論論知識指指導實驗驗，通過過實驗又又能更加加深刻的的理解書書上的知知識并拓拓展到相相關內容容，如此此往復，在在這種良良性循環(huán)環(huán)的學習習模式下下，逐漸漸進步，增增長了多多方面的的知識和和技能。更更重要的的是，我我們在老老師和師師兄的教教導下學學會嚴謹謹、求實實的科研研態(tài)度，學學會了遇遇到問題題時自主主學習、刻刻苦鉆研研的精神神，也學學會了沖

40、沖破思想想束縛大大膽創(chuàng)新新的勇氣氣。這種種切實的的科研精精神是我我們最大大的收獲獲。總之之，參加加科技創(chuàng)創(chuàng)新項目目是一個個正確的的選擇，我我們的諸諸多收獲獲是大學學期間得得到的一一筆真正正的財富富。由于這次大大學生科科技創(chuàng)新新項目的的鍛煉，我們除了在電磁場與等離子體物理技術方面更加成熟之外，還獲得了寶貴的科研經驗和方法。五、結束語語與致謝謝在科技創(chuàng)新新完成之之際，首首先向我我們的指指導老師師鄂鵬老老師表示示衷心的的感謝。在本課題的研究及論文撰寫過程中，始終得到了鄂鵬老師悉心的指導和教誨，他教給我們做科研的一些基本方法使我們受益終生。在這里還特特別感謝謝江濱浩浩教授的的諄諄教教導，在在做科技技創(chuàng)

41、新期期間不僅僅手把手手傳授知知識，還還傳授了了做學問問的方法法。這些些都將使使我們終終生受益益。衷心感謝所所有幫助助過我們們的老師師、師兄兄師姐、還還有同學學們，正正是由于于他們默默默無聞聞的奉獻獻和幫助助，才使使我們有有信心和和毅力完完成全部部課題的的研究工工作。六、參考文文獻K. N. Koozubbskiii, V. M. Murrashhko, Yuu. PP. RRyloov, et, all., Staatioonarry pplassma thrrustterss opeeratte iin sspacce. Plaasmaa Phhysiics Repportts, Voll.

42、 229, No. 3, 20003.吳漢基, 蔣遠大大，張志志遠. 電推進進技術的的應用與與發(fā)展趨趨勢. 推進技技術. 第244卷. 第5期期. 220033年100月S. R. Ollesoon aand J. M. Sannkovvic Advvancced Halll EElecctriic PProppulssionn foor FFutuure In-Spaace Traanspporttatiion R. NNASAA/TMM-20001-21006766D. Maanzeellaa, RR. SS. JJankkosvvskyy, aand R. R. Hoffer, Laab

43、orratoory Moddel 50kkW HHalll Thhrussterr. AAIAAA-20002-36776, Jully 220022Roberrt SS. JJankkovssky, Daavidd T. Jaacobbsonn, CCharrless J. Saarmiientto, et. all., NASSAss Haall thrrustter proograam 220022. AAIAAA 20002-36775Henryy W. Brranddhorrst, Maark J. ONNeilll, P. Alaan JJonees, andd R. Joosep

44、ph CCasssadyy, PPOWOOW-AAn aalteernaativve ppoweer ssourrce forr Maars expplorratiion. Accta Asttronnautticaa, VVol. 511, NNo. 1-99, ppp. 57-62, 20002.V V ZZhurrin, H R KKauffmann annd RR S Robbinsson, Phhysiics of cloosedd drriftt thhrussterrs. Plaasmaa Soourcces Scii. TTechhnoll. 88 (119999) RR1RR

45、20.A.I. Morrizoov, Y.VV. EEsippchuuk, A.MM. KKapuulkiin, V.AA. NNevrroskkii, annd VV.A. Smmirnnov, “EEffeect of thee Maagneeticc Fiieldd onn a Cloosedd-Ellecttronnic-Driift Accceleerattor,” SSoviiet Phyysiccs Teechnnicaal PPhyssicss, VVol. 177, NNo. 3, Seppt. 19772.I. Moorozzov andd V. V. Saavellyev

46、v Fuundaamenntalls oof SStattionnaryy Pllasmma TThruusteer TTheoory R. RReviiewss off Pllasmma PPhyssicss 211. 220011.Williiam Antthonny HHarggus, Jrr Innvesstiggatiion of thee Pllasmma AAcceelerratiion Mecchannismm wiithiin aa Cooaxiial Halll TThruusteer R. Maarchh 20001.Repportt NOO.TSSD-1130.L. G

47、aarriiguees, G. J. M. Haggelaaar, J. Baareiillees, C. Bonnifaace, J. P. Booeuff MModeel sstuddy oof tthe infflueencee off thhe mmagnnetiic ffielld cconffiguurattionn onn thhe pperfformmancce aand liffetiime of a HHalll thhrussterr PPhyssicss off Pllasmma VVol. 100, NNo. 12, Deec. 20003.I. Moorozzov,

48、 A. I. Buugroova, ett all., ATOON-TThruusteer PPlassma Accceleerattor J. PPlassma Phyysiccs RRepoortss Vool.223, No.7, 19997. I. Moorozzov Thee Coonceeptuual Devveloopmeent of Staatioonarry PPlassma Thrrustterss JJ. Plaasmaa Phhysiics Repportts, Voll. 229, No. 3, 20003.Antippov, A. T., GGrisshkeevic

49、ch, A. D., Iggnattenkko, V. V., Kaapullkinn, AA. MM., Priisnyyakoov, V. F., annd SStattsennko, V. V., “DDoubble-Staage Cloosedd Ellecttronn Drriftt Acccelleraatorr,” (inn Ruussiian), AAbsttraccts forr IVV Alll-UUnioon CConffereencee onn Pllasmma AAcceelerratoors andd Ioon IInjeectoors, Mooscoow, 197

50、78, pp. 666-677.Richaard R. Hoffer, Peeterr Y. Peeterrsonn, AAlecc D. Gaalliimorre, A HHighh Sppeciificc Immpullse Twoo-Sttagee Haall Thrrustter witth PPlassma Lenns FFocuusinng, IEPPC-001-0036. Boniffacee, GG. JJ. MM. HHageelaaar, L. Garrrigguess, JJ. PP. BBoeuuf, andd M. Prriouul, Moddeliing of Douublee Sttagee Haall Efffectt Thhrussterr. IIEEEE TRRANSSACTTIONNS OON PPLASSMA SCIIENCCE, VOLL. 333, NO. 2, APPRILL 20005.Nikollay V.