霍尔推力器推力密度分布计算方法技术

霍尔推力器推力密度分布计算方法，包括：步骤一，建立霍尔推力器推力分布物理模型；步骤二、获得霍尔推力器的推力密度分布表达式：其中霍尔推力器总推力密度分布为单价离子、双荷离子和电荷交换离子产生的推力密度分布之和；步骤三、获取霍尔推力器喷出束流粒子中各组分离子的运动参数：采用PIC

【技术实现步骤摘要】
霍尔推力器推力密度分布计算方法


[0001]本专利技术涉及霍尔推力器计算
，特别是一种霍尔推力器推力密度分布计算方法。

技术介绍

[0002]霍尔推力器主要通过喷出高速粒子而获得推力，其束流包括：单价离子、双荷离子、电荷交换离子、电子、中性原子等多组分粒子。工作过程中，通道内电离产生的离子受加速电场作用向通道外喷出，加速过程中有可能碰到通道内外壁面而改变方向，同时高速离子与中性原子发生电荷交换碰撞，产生电荷交换离子；少量未被电离的原子从通道出口以热扩散运动方式逃逸出来；电子则受阳极高压吸引向通道内运行，并被磁场约束。这些喷出粒子流在空间上的密度分布和速度分布均存在较大差异，这就使得该推力器的推力密度具有一定复杂性。
[0003]与离子推力器相比，霍尔推力器摆脱了空间电荷的限制实现更高的推力密度，但是由于霍尔推力器发散角更大，其输出推力密度分布的非均匀性表现也更加突出，同时伴随有非轴对称性，从而产生推力偏心效应。这种推力偏离轴向的微小幅度足以引起航天器上产生干扰力矩，若不开展修正，长时间会造成航天器姿态和轨道偏离预定轨道。
[0004]现有理论模型主要是对霍尔推力器的总推力进行建模与计算，并未考虑该推力器的推力密度分布这一特征参数；因此，如何对霍尔推力器推力密度分布进行定量的计算是目前需要解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种霍尔推力器推力密度分布计算方法。该方法对霍尔推力器束流中单价离子、双荷离子、电荷交换离子产生的推力密度进行计算与分析，并得到霍尔推力器的推力密度分布，为霍尔推力器性能优化提供支撑。
[0006]本专利技术的技术方案是：霍尔推力器推力密度分布计算方法，包括如下步骤，
[0007]步骤一，建立霍尔推力器推力模型
[0008]霍尔推力器推力主要通过喷出束流粒子而产生推力，空间中霍尔推力器与喷出束流粒子之间满足动量平衡关系，根据牛顿第三定律，霍尔推力器工作时在轴向产生推力表达式如下：
[0009][0010]式中，F
total
为总推力，单位为N；为喷出束流粒子的质量流量，单位为kg/s，为喷出束流粒子的平均速度，单位为m/s。
[0011]步骤二、获得霍尔推力器的推力密度表达式
[0012]喷出束流粒子中电子质量远小于离子，中性原子速度远小于离子速度，因此，忽略
电子和原子产生的推力。即霍尔推力器轴向推力主要来源于单价离子、双荷离子、电荷交换离子，推力表达式为：
[0013][0014]其中，分别为单价离子、双荷离子和电荷交换离子的质量流量，单位为kg/s；分别为单价离子、双荷离子和电荷交换离子的平均速度，单位为m/s。
[0015]定义推力密度为单位面积上产生的轴向推力，则进一步得到推力密度的计算公式如下：
[0016][0017]其中，f0为霍尔推力器的总推力密度，f1、f2、f3分别为单价离子、双荷离子和电荷交换离子产生的推力密度，单位均为mN/cm2。
[0018]步骤三、获取霍尔推力器喷出束流粒子中各组分离子的运动参数
[0019]获取霍尔推力器喷出束流粒子的等离子体流场参数，在获得的等离子体流场参数中提取电势分布，定义流场中电势为0的面为分界面S1，并分别获取如下数据：
[0020]在S1上统计单价离子流信息，并获得单价离子在S1分界面上不同位置处的密度分布、速度分布、运动方向与轴向夹角，分别记为
[0021]在S1上统计双荷离子流信息，并获得双荷离子在S1分界面上不同位置处的密度分布、速度分布和运动方向与轴向夹角，分别记为
[0022]在S1上统计电荷交换离子流信息，并获得电荷交换离子在S1分界面上不同位置处的密度分布、速度分布和运动方向与轴向夹角，分别记为
[0023]步骤四、获取霍尔推力器喷出束流粒子中各组分离子的推力密度分布
[0024]根据公式(1)，S1分界面上位置微元面积产生的轴向推力dF表示为：
[0025][0026]式中，m
xe
为离子质量，单位kg；n为离子密度，单位为个/m3；为离子流平均速率，单位为m/s；θ为离子运动方向与霍尔推力器轴向之间的夹角，β为微元面积法向与推力器轴向之间夹角；
[0027]则推力密度为：
[0028][0029]即霍尔推力器的轴向推力密度分布为：
[0030][0031]进一步得到喷出粒子流中多组分离子推力密度分布分别如下：
[0032][0033]步骤五、计算霍尔推力器喷出束流粒子的推力密度分布
[0034]在霍尔推力器内距离分界面S1的空间位置处的推力密度分布计算表达式为：
[0035][0036]由此计算出霍尔推力器的推力密度分布。
[0037]本专利技术进一步的技术方案是：所述获取霍尔推力器喷出束流粒子的等离子体流场参数，采用PIC
‑
MCC方法建立霍尔推力器等离子体引出数值模型，结合霍尔推力器工作电气参数进行仿真计算，获得计算稳定后的等离子体流场参数。
[0038]本专利技术与现有技术相比具有如下特点：本专利技术通过建立推力分布物理模型对多种组分粒子空间推力密度分布求和，进而得到霍尔推力器推力密度分布，实现了霍尔推力器的推力分布特性定量计算，为霍尔推力器推力性能进一步优化与评价提供了条件。
[0039]以下结合附图和具体实施方式对本专利技术的详细结构作进一步描述。
附图说明
[0040]附图1为本专利技术的计算方法流程图；
[0041]附图2为实施例一喷出束流粒子中单价离子的推力密度分布计算图；
[0042]附图3为实施例一喷出束流粒子中双荷离子的推力密度分布计算图；
[0043]附图4为实施例一喷出束流粒子中电荷交换离子的推力密度分布计算图；
[0044]附图5为实施例一霍尔推力器推力密度分布计算图。
具体实施方式
[0045]实施例一，如附图1
‑
5所示，霍尔推力器推力密度分布计算方法，以200W霍尔推力器为例，包括如下步骤：
[0046]步骤一，建立霍尔推力器推力模型
[0047]霍尔推力器推力主要通过喷出束流粒子而产生推力，其中喷出束流粒子包括：单价离子、双荷离子、电荷交换离子、中性原子、电子等多组分粒子，空间中霍尔推力器与喷出束流粒子之间满足动量平衡关系，根据牛顿第三定律，霍尔推力器在太空中运行时，推力满足如下公式：
[0048][0049]式中，F
total
为总推力，单位为N；为喷出束流粒子的质量流量，单位为kg/s，为束流粒子的平均速度，单位为m/s。
[0050]步骤二、获得霍尔推力器的推力密度表达式
[0051]由于喷出的喷出束流粒子分别具有不同的加速机制，从而每组不同的粒子的密度分布和速度分布均不相同。
[0052]如单价离子和双荷离子主要集中在霍尔推力器中心轴线附近，呈本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.霍尔推力器推力密度分布计算方法，其特征是：包括如下步骤，步骤一，建立霍尔推力器推力模型霍尔推力器推力主要通过喷出束流粒子而产生推力，空间中霍尔推力器与喷出束流粒子之间满足动量平衡关系，根据牛顿第三定律，霍尔推力器工作时在轴向产生推力表达式如下：式中，F
total
为总推力，单位为N；为喷出束流粒子的质量流量，单位为kg/s，为喷出束流粒子的平均速度，单位为m/s；步骤二、获得霍尔推力器的推力密度表达式喷出束流粒子中电子质量远小于离子，中性原子速度远小于离子速度，忽略电子和原子产生的推力；即霍尔推力器轴向推力主要来源于单价离子、双荷离子、电荷交换离子，推力表达式为：其中，分别为单价离子、双荷离子和电荷交换离子的质量流量，单位为kg/s；分别为单价离子、双荷离子和电荷交换离子的平均速度，单位为m/s；定义推力密度为单位面积上产生的轴向推力，则进一步得到推力密度的计算公式如下：其中，f0为霍尔推力器的总推力密度，f1、f2、f3分别为单价离子、双荷离子和电荷交换离子产生的推力密度，单位均为mN/cm2；步骤三、获取霍尔推力器喷出束流粒子中各组分离子的运动参数获取霍尔推力器喷出束流粒子的等离子体流场参数，在获得的等离子体流场参数中提取电势分布，定义流场中电势为0的面为分界面S1，并分别获取如下数据：在S1上统计单价离子流信息，并获得单价离子在S1分界...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙建飞，郭宁，徐禄祥，柏树，吴铭钐，赵杰，杨威，
申请(专利权)人：国科大杭州高等研究院，
类型：发明
国别省市：