霍爾推力器等離子體振蕩研究現(xiàn)狀與展望

霍爾推力器等離子體振蕩研究現(xiàn)狀與展望

0推力器中振蕩霍里致力器是具有ebeb的同一圓環(huán)形直流放電能耗發(fā)生器。這是電推動的一個基本類型。霍爾推力器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,通道內(nèi)磁場和電場的方向相互正交,由于磁場對電子的束縛作用,從陰極釋放出的電子被束縛在通道中的某一個區(qū)域中,這些電子同從陽極注入的惰性氣體原子(一般為氙或氪)發(fā)生碰撞并使其電離形成等離子體。由于離子的質(zhì)量要遠遠大于電子的質(zhì)量,所以通道內(nèi)的磁場有效束縛電子軸向運動的同時對離子的運動幾乎沒有影響,電離產(chǎn)生的離子在通道內(nèi)電場的作用下加速噴出,產(chǎn)生推力。其特點是結(jié)構(gòu)簡單,沒有易變形、易燒蝕的柵極,運行電壓低,結(jié)構(gòu)緊湊,比沖處于目前最佳范圍(1000～2000s),效率在45%～55%之間,適合于多種類型航天器,因此在未來的空間應(yīng)用方面具有較強的競爭力。但是霍爾推力器在工作過程中存在著振蕩現(xiàn)象,頻率從幾kHz到幾GHz,甚至十幾GHz都能夠測量到振蕩信號。按照推力器內(nèi)振蕩的頻率范圍,可以將推力器內(nèi)的振蕩分為低頻(LF)、高頻(HF)和超高頻(UHF)振蕩。低頻振蕩是影響推力器和電源處理單元(PPU)設(shè)計的重要因素,高頻振蕩引起的輻射影響推力器與衛(wèi)星板載電路的一體化,制約著霍爾推力器在衛(wèi)星上的實際應(yīng)用,超高頻輻射則對霍爾推力器在深空探測中的應(yīng)用產(chǎn)生影響。世界各國致力于霍爾推力器的研究人員都對霍爾推力器中的振蕩現(xiàn)象進行了廣泛的研究。本文總結(jié)了各國研究人員對于推力器振蕩現(xiàn)象的研究成果,提出了對于霍爾推力器振蕩研究尚待解決的問題,為進一步研究霍爾推力器的振蕩現(xiàn)象提供了參考。1霍洛韋茨低頻振動研究1.1呼吸振蕩的研究進展在霍爾推力器的工作過程中,觀察到了大規(guī)模的放電電流自發(fā)振蕩,振蕩頻率主要存在于10～100kHz之間,通常所說的霍爾推力器低頻振蕩,就是指這一振蕩,圖2為霍爾推力器放電電流低頻振蕩的典型示波器測量圖。低頻振蕩幅值比較大,對推力器自身運行特性和電源設(shè)計有較大的影響,因此各霍爾推力器研究機構(gòu)和研究人員都投入很大的時間和精力研究低頻振蕩問題。研究人員提出各種模型來描述低頻振蕩,試圖闡述低頻振蕩產(chǎn)生的機理。在描述低頻振蕩的眾多機制當中,伴隨著10kHz～30kHz頻率范圍之內(nèi)放電電流振蕩的呼吸振蕩機制無疑最為限制電源的設(shè)計。然而直到20世紀70年代中期,這一振蕩機制才始見于俄羅斯的文獻之中。呼吸振蕩是一種在各種型號霍爾推力器運行中都能觀察到的低頻縱向振蕩。最先給出這種振蕩解釋的是Baranov等人和Fife等人,他們在給出物理解釋的同時給出了低頻振蕩最初的數(shù)值模型。而術(shù)語“呼吸”是由Boeuf和Garrigues提出的,他們在放電過程的數(shù)值模擬中觀察到了電離前鋒面明顯的前后運動,他們對低頻振蕩的一維準中性混合模型進行了詳細描述。最初的各種理論研究之間缺乏一致性,這使得各研究機構(gòu)致力于尋求基于帶電粒子動力學的更為嚴密和一般的研究方法。Noguchi等人借助于一維線性擾動模型分析霍爾推力器運行過程中產(chǎn)生的低頻振蕩。日本的Yamamoto等人通過實驗研究了直線型和陽極層型霍爾推力器10kHz～100kHz的放電振蕩特性,并測量了不同工況下振蕩特性隨磁場強度的變化情況。實驗結(jié)果表明,在低頻振蕩中起到重要作用的是動態(tài)電子而不是離子,因為在實驗中發(fā)現(xiàn)低頻振蕩的頻率和幅值隨著磁場強度的變化而變化,但是隨著電場強度的變化幾乎不發(fā)生變化。由于在電離區(qū)的末端仍存在著一些電場,從而指出了Baranov假設(shè)電離區(qū)的電場為零的模型和Fife基于離子和中性粒子的動態(tài)過程的模型均存在缺陷,并在此基礎(chǔ)上提出基于動態(tài)電子和中性粒子相互作用的模型。同時對振蕩頻率和穩(wěn)定運行范圍進行了模擬,模擬的結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合,從而證明了該模型有效地描述了霍爾推力器低頻振蕩的物理過程。在文獻中Banal等人運用線性小擾動模型和非線性模型研究了霍爾推力器的低頻振蕩。對于線性小擾動模型的制定依賴于Ahedo等人和Molina等人的模型,通過線性小擾動模型的分析,得出了低頻振蕩的一系列影響因素。而非線性模型的分析,則初步得出呼吸機制的一些關(guān)鍵過程,如振蕩直接涉及的只有電子和中性粒子,這符合捕食模型對呼吸振蕩機制的解釋。在此基礎(chǔ)上,通過進一步的研究,Barral推導(dǎo)出了低頻振蕩準靜態(tài)模型,改進了以前的理論,并對低頻振蕩產(chǎn)生機理的研究成果進行了總結(jié),最終得出在呼吸振蕩機制的兩種解釋中,用捕食模型來解釋呼吸振蕩機制更為恰當。斯坦福大學由M.A.Cappelli領(lǐng)導(dǎo)的團隊早期對振蕩的實驗研究成果較多,其中包括用單探針、發(fā)射探針和掃頻Langmuir探針對霍爾推力器通道內(nèi)外的等離子體參數(shù)穩(wěn)態(tài)特性和頻譜測量,以驗證通道內(nèi)低頻振蕩、周向漂移波和隨機擾動的存在。還有一些研究人員運用光學診斷方法研究霍爾推力器內(nèi)的低頻振蕩問題。Meezan利用發(fā)射光譜和探針研究低電壓下的周向漂移波(5～70kHz),這種波動在放電電流飽和區(qū)被低頻振蕩所取代,得出了低頻振蕩是由于電離不穩(wěn)定造成的和頻率與Fife的捕食模型定性吻合的結(jié)論;并利用雙探針測量通道內(nèi)振蕩的周向和軸向特性,得出探針離子飽和電流均值與探針軸向和周向位置有關(guān)、周向振蕩反映等離子體密度波動沿周向傳播等結(jié)論。同樣的,F.Damon也用光學方法和數(shù)值模型研究了霍爾推力器內(nèi)大振幅的低頻振蕩的產(chǎn)生機理。1.2低頻振蕩的表征霍爾推力器內(nèi)產(chǎn)生的振蕩現(xiàn)象在推力器的良好運行中發(fā)揮著重要作用。但也是這些振蕩制約著衛(wèi)星上推力器的集成和推力器電源處理單元(PPU)的設(shè)計。因此對霍爾推力器內(nèi)的振蕩更清楚的認識和更全面的診斷是不斷改進霍爾推力器和PPU設(shè)計中必不可少的重要研究內(nèi)容。法國的霍爾推力器研究團隊一直致力于霍爾推力器內(nèi)低頻振蕩問題的研究。L.Garrigues和J.P.Boeuf以及后來的G.J.M.Hagelaar是較早通過模擬開始研究霍爾推力器振蕩的研究人員。L.Garrigues和J.P.Boeuf首先通過建立一維準中性混合模型(電子以流體描述、離子以無碰撞的動力學方程描述),詳細計算了霍爾推力器中參數(shù)的穩(wěn)態(tài)分布情況和等離子體的振蕩情況,以及在不同出口區(qū)磁場強度、不同磁場分布、不同電壓情況下,推力器內(nèi)的低頻振蕩幅值與頻率的變化情況,并與實驗研究的結(jié)果進行了比較。法國也是比較早采用光學設(shè)備和快速照相的方法對于推力器通道和羽流的參數(shù)進行測量的,其中FranckDarnon和MichelLyszyk等人運用光學設(shè)備和電學設(shè)備研究了SPT100內(nèi)存在的頻率低于1MHz的低頻振蕩的光學特性和電學特性。而N.Gascon和E.Chesta等人則使用兩個Langmuir探針初步研究了低頻振蕩的色散問題,并給出條件采樣和小波分析兩種數(shù)據(jù)處理方法的差別。在此基礎(chǔ)上,使用三個朗謬爾探針實驗研究了低頻振蕩沿周向和軸向的色散和傳播問題。沿著這一思路,又在氧化鋁和氮化硼兩種不同壁面條件下使用探針測量和小波分解的方法研究了低頻振蕩的色散問題,得出了在兩種不同壁面條件下,與等離子體密度和磁場梯度密切相關(guān)的低頻振蕩周向傳播性質(zhì)總體相同,但是在電離區(qū)有著顯著的不同,這是因為況定著等離子體密度峰值的電離區(qū)位置不同。在氧化鋁壁面的條件下,電離區(qū)非常接近磁場峰值處,而氮化硼壁面條件下,兩者要分開20-30mm。目前,加拿大的A.Smolyakov正在與該團隊合作利用一維的PIC模型研究鞘層的不穩(wěn)定性問題。最近,哈工大等離子體推進技術(shù)實驗室的研究團隊對霍爾推力器羽流區(qū)的振蕩問題開展了實驗研究。采用在軸向、周向不同位置安裝探針,通過探針上接收的飽和離子電流和飽和電子電流來反映羽流區(qū)等離子體密度波動。實驗結(jié)果表明,羽流區(qū)等離子體密度振蕩的頻率與低頻振蕩頻率相同,在低頻時間尺度內(nèi),等離子體密度波動沿周向是同步的,而沿軸向的相位差反映了等離子密度波動沿軸向的傳播,傳播速度與離子飛越時間近似相等。對于低頻振蕩影響因素的研究也一直是振蕩問題研究的重要內(nèi)容。S.Barral在對呼吸振蕩數(shù)值研究的基礎(chǔ)上,從理論上分析了電源對于霍爾推力器內(nèi)呼吸振蕩的影響。哈工大等離子體推進技術(shù)實驗室在實驗中發(fā)現(xiàn)霍爾推力器陽極與氣體分配器之間存在著電壓,進而通過理論預(yù)測和實驗研究證實了在霍爾推力器緩沖腔內(nèi)存在著工質(zhì)氣體的預(yù)電離現(xiàn)象。通過改變電場強度和磁場強度可以改變緩沖腔內(nèi)的電離率。通過數(shù)值模擬和理論分析,哈工大等離子體推進技術(shù)實驗室首次闡述了預(yù)電離機制對霍爾推力器低頻振蕩影響的物理機理。霍爾推力器通道內(nèi)的電離過程中,正負反饋作用交替占據(jù)主導(dǎo)地位,造成電離的不穩(wěn)定,引起離子密度和中性原子密度大幅度變化,這是引起霍爾推力器低頻振蕩的主要原因。而通過促進霍爾推力器緩沖腔內(nèi)的預(yù)電離,提高預(yù)電離率,也就提高了工質(zhì)氣體進入加速通道時等離子體的密度,相應(yīng)地也就降低了通道入口處中性原子的密度,顯然,這使得通道內(nèi)原子密度和離子密度的變化范圍都減小了,也就削弱了電離過程中的正負反饋作用,從而減小了低頻振蕩的幅度。同時該研究團隊還研究了霍爾推力器濾波器電感對低頻振蕩特性的影響。在霍爾推力器實際應(yīng)用中,通常會采用由電感和電阻并聯(lián)而成的濾波器來抑制放電低頻振蕩,在電感和電阻匹配條件下,可以將低頻振蕩控制在一個可以接受的水平上。實際應(yīng)用的電感一般由磁環(huán)和纏繞在其上的線圈組成的。實驗結(jié)果表明,對于相同電感值的電感元件由于其實際的頻率特性不同,在應(yīng)用于霍爾推力器濾波器上時,對放電電流低頻振蕩的影響完全不同,有時差異會相當?shù)拇蟆τ陉枠O層型霍爾推力器,一個重要問題是如何克服放電不穩(wěn)定。為了穩(wěn)定放電,設(shè)計了空心的陽極,但是空心陽極的作用還沒有得到充分的證實,空心陽極的優(yōu)化工作尚需進行。ShinsukeYashi和KenKumakura等人使用1kW級陽極層型霍爾推力器實驗研究了各種空心陽極寬度和陽極區(qū)軸向位置的放電電流振蕩的振幅,確定了穩(wěn)定放電的等離子體密度閾值,為陽極層型霍爾推力器的穩(wěn)定運行奠定了基礎(chǔ)。1.3實驗結(jié)果和討論東京大學的Yamamoto等人通過調(diào)節(jié)磁場得到不同的低頻振蕩情況,研究低頻振蕩和羽流發(fā)散角以及推力器壽命的關(guān)系,實驗給出低頻振蕩本身對于羽流發(fā)散角和推力器壽命的影響很小,而磁場的變化引起的電離區(qū)變化是影響推力器羽流發(fā)散角和壽命的主要因素。同時研究了1kW陽極層型霍爾推力器內(nèi)10kHz～100kHz頻率范圍內(nèi)的放電振蕩,基于其建立的模型對運行狀況不穩(wěn)定進行了預(yù)測。結(jié)果表明,減少放電通道的截面,會使穩(wěn)定運行范圍變大,這與實驗結(jié)果相符合。但是該模型給出的穩(wěn)定條件表達式并沒有經(jīng)過簡化,而是通過一種數(shù)值的方法給出了穩(wěn)定的區(qū)域,其判別式中的參數(shù)是通過實驗測量給出的。隨后經(jīng)過進一步的研究才簡化了穩(wěn)定條件的表達式。根據(jù)穩(wěn)定條件,通過改變陽極層型推力器陽極的寬度和陽極區(qū)的位置可以改變穩(wěn)定區(qū)域大小,并得到了實驗驗證?；谠撃Ｐ?進一步的工作是給出了振蕩頻率表達式,指出這符合振蕩頻率隨著放電電壓的增大而增大的實驗結(jié)果,因為放電電壓的提高使電子的溫度增大。在實驗方面,采用高速的相機拍攝了陽極層型推力器電離區(qū)激發(fā)的氙離子密度變化情況,并和低頻振蕩電流相比較,發(fā)現(xiàn)電離區(qū)氙離子密度正比于放電電流,得出低頻振蕩是由于電離不穩(wěn)定引起的結(jié)論。該研究團隊的Fukushima和Yokota還通過周向工質(zhì)不均勻供給研究了陽極層型霍爾推力器的低頻振蕩抑制方法,文章的實驗結(jié)果表明,在工質(zhì)不均勻供給條件下低頻振蕩得到了抑制,但是同時放電電流上升,推力器效率大幅下降。而Tamida和Nakagawa等人對霍爾推力器內(nèi)的低頻振蕩進行了理論和實驗研究。振蕩現(xiàn)象依賴于各種外部控制參數(shù),而且,這種依賴性可以通過對外部控制參數(shù)的組合給出非常明確的表達形式。使用這種表達形式,人們可以觀察到在給定的外部控制參數(shù)下的振蕩強度和振蕩模式。他們認為,通過確定的參數(shù)設(shè)置可以抑制低頻振蕩。密西根大學關(guān)于霍爾推力器的研究主要集中在推力器性能和壽命、實驗測量方法、變工質(zhì)、羽流區(qū)模擬和新型推力器的研制上,關(guān)于霍爾推力器的振蕩問題研究不多,AlecD.Gallimore教授領(lǐng)導(dǎo)的等離子動態(tài)與電推進實驗室在研究霍爾推力器多組并列運行中,實驗研究了利用DSP編程控制霍爾推力器低頻振蕩的方法。Lazurenko研究了PPS-1350-G型號推力器在寬參數(shù)范圍運行時的振蕩現(xiàn)象,包括與仿真結(jié)果的比較。SnecmaMoteurs公司的PPS1350-G型推力器2003-2004年曾用于歐空局地-月任務(wù)的推進系統(tǒng)中。Barral等人指出除了對工作參數(shù)作相應(yīng)調(diào)整以外,也可以通過外電路的設(shè)計和串聯(lián)勵磁的方法來降低低頻振蕩。外電路主要是通過RLC電路的形式,主要作用元件為電感;串聯(lián)勵磁主要是通過PID控制的形式給出電流對磁場大小的影響。模擬結(jié)果給出了各個參數(shù)變化對低頻振蕩的影響,表明兩種方法對于抑制低頻振蕩都起到了很好的作用,但是通過兩種方法的比較,可以得出,串聯(lián)勵磁對于抑制低頻振蕩更加有效。另外,在霍爾推力器實際應(yīng)用中,通常會采用由電感和電阻并聯(lián)而成的濾波器來抑制放電低頻振蕩,前期研究結(jié)果表明,在霍爾推力器和PPU之間選擇合適的濾波器可以減小低頻振蕩的幅值,將低頻振蕩控制在一個可以接受的水平上。中國的于達仁,魏立秋等人通過實驗和數(shù)值模擬的方法,從控制理論的角度闡述了濾波器參數(shù)與放電電流低頻振蕩的關(guān)系,為濾波器的設(shè)計提供了理論支持。2霍洛韋自助器高頻振蕩研究2.1高頻振蕩的測量霍爾推力器內(nèi)存在頻率在幾十kHz范圍的低頻振蕩,也存在頻率在幾百kHz到幾十MHz范圍的高頻振蕩。一般情況,推力器內(nèi)產(chǎn)生的振蕩在幾十kHz到幾百kHz的頻率范圍內(nèi)振蕩幅值最大,在接近1MHz時振幅降為原來的10-50分之一,頻率再升高時,則振幅的下降約為原來的1/f2。A.I.Morozov等人把霍爾推力器中具有較大幅值的等離子體振蕩歸結(jié)為“離子化振蕩”和“飛行振蕩”兩種類型,其中“離子化振蕩”是在低放電電壓的條件下,即在放電伏安特性的離子化區(qū)域,在霍爾推力器的加速通道內(nèi)觀察到的幾十kHz非常有規(guī)律的振蕩,主要存在于加速通道出口到陽極的區(qū)域;而在伏安特性的電流飽合區(qū)域,振蕩的頻譜呈現(xiàn)出另外一種形式-它是產(chǎn)生于等離子體內(nèi)的與離子化過程無關(guān)的一種等離子體不穩(wěn)定性,這種振蕩的最大特點是它的頻率范圍f0與離子飛行穿過加速管的時間倒數(shù)有關(guān),因此稱之為“飛行振蕩”?；魻柾屏ζ髟谶\行時會產(chǎn)生高頻振蕩現(xiàn)象是阻礙霍爾推力器在衛(wèi)星或宇宙飛船上成功應(yīng)用的一個重要問題,因為振蕩引起的高頻輻射可能干擾射頻通信或推力器自身的運行。對于高頻范圍的飛越時間振蕩—“飛行振蕩”產(chǎn)生機理的解釋,雖然Esipchuck在他概括Morozov的早期振蕩研究成果時就已經(jīng)首先提出,但是,對霍爾推力器幾十MHz頻段的高頻振蕩物理性質(zhì)的理論和實驗研究都是十分有限的,高頻振蕩實驗數(shù)據(jù)的缺乏是由檢測和診斷這些振蕩所遇到的技術(shù)難題所造成的。以前,人們對離子飛行振蕩的研究一般都是通過數(shù)值仿真進行的。隨著診斷理論的不斷成熟和電子電路的不斷發(fā)展,人們逐漸解決了高頻振蕩測量的技術(shù)問題。Y.Raitses和N.J.Fisch等人建立了一套包含單探針、帶特殊屏蔽罩的連接器、位置調(diào)節(jié)器、電阻匹配電路的高頻測量探針系統(tǒng)。經(jīng)校準后初步測量了霍爾推力器的高頻等離子體振蕩,實驗結(jié)果顯示,在加速區(qū)存在幾MHz的方位角波,觀察到波的頻率強烈依賴于推力器的配置和運行工況,并且振蕩的頻率隨著放電電壓的增加而增加,隨著磁場強度的增加而減小。同時,還觀察到了的幾個主頻率的高階諧波。根據(jù)實驗結(jié)果,從理論上預(yù)測這種波動可能為Rayleigh不穩(wěn)定性。隨后,利用這一套探針研究了在一定程度上是由磁場、等離子體密度、電子漂移速度的軸向梯度激發(fā)的周向準靜電波,從實驗上驗證了理論預(yù)測的Rayleigh不穩(wěn)定性的存在。Y.Raitses和N.J.Fisch等人還從線性的二維流體模型出發(fā)分析了這種由梯度導(dǎo)致的Rayleigh不穩(wěn)定性的不穩(wěn)定性條件和周向傳播的一般準則,并基于霍爾推力器通道內(nèi)軸向分布參數(shù)的簡化模型得到了與電子周向漂移諧振的振蕩波的增長率。N.J.Fisch還利用二維流體模型研究了霍爾推力器加速通道內(nèi)由于碰撞引起的等離子體波動問題,闡述了由于在E?×B?E→×B→電磁場下電子的碰撞引起的靜電低混雜波和電磁Alfven波的特性,并指出其特征頻率與實驗觀察相吻合。A.Lazurenko等人對高頻振蕩的研究主要以實驗為主,通過實驗證明了高頻方位角波以接近電子漂移的速度傳播,這與Esipchuck和Tilinin以及Litvak等人提出的觀點一致。同時他們利用二維全動力學模擬得出通道內(nèi)存在著很強的電場波動,并且認為這一波動反應(yīng)了電子沿軸向的反常輸運。同時,通過對靜電波色散關(guān)系的研究得出高頻振蕩在1～10MHz頻段內(nèi)具有小的增長率。隨后,A.Lazurenko等人又從使用六個安裝在加速通道陶瓷管外部各個軸向和周向位置的天線,對1-10MHz頻率范圍的高頻振蕩進行了詳細的實驗研究,特別是高頻振蕩與10kHz～30kHz頻率范圍內(nèi)的低頻振蕩和放電電流的關(guān)系。得出軸向電場的變化來自于振蕩的性質(zhì),而振蕩的性質(zhì)表現(xiàn)為推力器運行參數(shù)—放電電壓和磁場的函數(shù)。并針對高頻振蕩的色散特性進行了詳細的研究,得出高頻振蕩沿方位角方向的色散關(guān)系幾乎是線性的,而沿軸向的色散關(guān)系則取決于探針所安裝的位置。通過色散關(guān)系描述了高頻振蕩的特點。波蘭大學的J.Kurzyna等人運用經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸狻ilbert-Huang方法和EmpiricalModeDecomposition(EMD)等振蕩數(shù)據(jù)的分析方法研究了霍爾推力器內(nèi)的高頻等離子體振蕩。波蘭科學院基本技術(shù)研究所電推進專業(yè)的研究人員對于振蕩的建模研究作了很多工作,建立了比較完備的一維流體模型,通過色散關(guān)系給出相角傳播速度在離子聲速級別的高頻振蕩的分析。A.I.Morozov還利用可移動電極在霍爾推力器內(nèi)進行電勢擾動的實驗測量,結(jié)果表明,在整個加速通道內(nèi)電勢的受迫振蕩是相同的,即電勢受迫振蕩存在于整個推力器加速通道內(nèi),但是距離擾動源越遠,則受迫振蕩的幅值越小,且振蕩的幅值沿加速通道內(nèi)電子的流動方向衰減。在假設(shè)等離子體固有頻率很大(大于10MHz)的條件下,在100kHz-800kHz的范圍連續(xù)的變化頻率,對振蕩的擾動進行觀察,最終得出在發(fā)生電勢受迫振蕩時,不存在共振現(xiàn)象。而A.I.Bugrova則證明了在霍爾推力器中存在著“膜片振蕩”,指出膜片振蕩表征電子溫度的振蕩,并與流量的橫向密度梯度的存在有關(guān)。而在近期,哈爾濱工業(yè)大學的魏立秋等人則在霍爾推力器內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一種新的振蕩模式-耦合振蕩,實驗測量得到通過導(dǎo)磁柱繞制線圈的勵磁電流并非是穩(wěn)態(tài)直流,而是在幾百kHz范圍內(nèi)具有寬譜的振蕩特性,并在幾個固定頻率處存在較大幅值。經(jīng)過對實驗結(jié)果的分析,得出了勵磁電流的振蕩是由于推力器放電過程中電磁耦合作用引起的結(jié)論。2.2高頻振蕩模型通常認為在霍爾推力器通道以內(nèi)電子傳導(dǎo)為經(jīng)典傳導(dǎo)和近壁傳導(dǎo)相加,在通道外面則是經(jīng)典傳導(dǎo)和Bohm傳導(dǎo)相加。Hagelaar等人運用霍爾推力器放電二維混合模型,通過調(diào)節(jié)近壁傳導(dǎo)和Bohm傳導(dǎo)的系數(shù)模擬了不同磁場位型下兩種傳導(dǎo)和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系。該模型的特點是難以理解霍推力器系統(tǒng)參數(shù)對電子反常輸運的影響,Hagelaar等人驗證了這些系統(tǒng)參數(shù)對仿真結(jié)果的影響。為了了解電子穿越磁場的傳導(dǎo),Lazurenko等人首先通過電容式天線和等離子體探針研究了不同尺寸和功率的霍爾推力器內(nèi)5-10MHz頻率的高頻振蕩,證實這一頻段的振蕩在不同尺寸和功率的推力器內(nèi)都存在。研究結(jié)果顯示這些振蕩周向不對稱并吻合以前提出的振蕩是電子密度波動沿周向漂移的觀點。由偏置探針得到的信號證實存在中頻(MF)電子密度波動,這些中頻振蕩的性質(zhì)符合在混合粒子模擬中表現(xiàn)出的離子輸運時間振蕩。同時進行了霍爾推力器內(nèi)1kHz到30MHz之間的磁場振蕩的測量,運用安裝在加速通道周圍的小電感線圈,以旋轉(zhuǎn)電阻絲模擬電子電流,能夠高準確率的重現(xiàn)觀察到的高頻磁場振蕩,在此基礎(chǔ)上研究磁場振蕩對有效電子碰撞頻率的影響。提出了電子穿越磁場的電流高頻振蕩模型,模型仿真結(jié)果與實驗觀察結(jié)果有很好的符合。Thomas和Cappelli在理論上推導(dǎo)了小幅值擾動對電子傳導(dǎo)的影響規(guī)律,預(yù)測了擾動增長率與振蕩頻率和傳播角度的關(guān)系。Knoll則在實驗上利用沿周向和軸向距離較近的三個探針研究了通道內(nèi)等離子體振蕩的傳播方向和頻率,探索等離子體振蕩與電子反常輸運的關(guān)系,實驗結(jié)果顯示在霍爾推力器出口平面1-10MHz頻段的高頻振蕩在軸向上占主導(dǎo)地位。在數(shù)值模擬方面完成了霍爾推力器在軸向-周向坐標平面的二維模型,這個數(shù)值模型能夠再現(xiàn)霍爾推力器內(nèi)兩個主要高頻振蕩:一個74MHz的Kelvin-Helmholtz型剪切振蕩,一個是在實驗中觀察到的7MHz等離子體密度振蕩。通過模型預(yù)測的軸向電子漂移與實驗結(jié)果吻合,結(jié)果表明,在電子輸運過程中等離子體振蕩發(fā)揮著主導(dǎo)作用,特別是軸向電子速度振蕩對電子輸運的貢獻大于經(jīng)典碰撞對輸運貢獻的300%。3uhf干擾智慧航天器的研究霍爾推力器內(nèi)部產(chǎn)生的超高頻(UltraHighFrequency,簡稱UHF)振蕩的頻率為GHz量級。而用于深空探測的飛行器與地面通信所采用的通訊頻段在近幾十年的發(fā)展中逐漸提高,從早期的S-band(2GHz),X-band(8.4GHz),Ku-band(14GHz)到現(xiàn)在主要使用的Ka-band(32GHz),通信頻率覆蓋了2GHz-30GHz的范圍。由此可見,霍爾推力器的UHF振蕩頻率與通信頻段相重合,深空探測飛行器使用霍爾推力器后,霍爾推力器自身發(fā)射的UHF必然會以電磁波的形式干擾飛行器運行過程中所攜帶的電子器件與地面的正常通訊。對于近地軌道而言,因為通訊距離較近,信號較強,實踐證明UHF干擾對衛(wèi)星通訊幾乎沒有影響;但對于遠距離飛行的深空探測來說,信號衰減較大,UHF對飛行器通訊的干擾不容忽視,所以必須研究霍爾推力器在超高頻振蕩的特性,為霍爾推力器在深空探測飛行器上的使用做必要的理論儲備。但是,目前對于霍爾推力器內(nèi)超高頻振蕩的研究出版的文獻較少,僅在20世紀70-90年代俄羅斯的研究機構(gòu)對霍爾推力器內(nèi)的超高頻振蕩進行了較為全面的分析測試。1972年,是在“火炬”實驗臺上首次開始進行超高頻振蕩的研究的。文獻綜述了俄羅斯在超高頻振蕩問題上的一些主要研究成果。首先,通過實驗測