关于申报“国家级大学生创新训练计划项目”的通知17799.docx

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1、 霍尔推进器通道内电子传导特性研究 电气工程学院霍尔推进器通道内电子传导特性研究 尚方 陈超 赵欣爽 詹彦电气工程及自动化学院指导教师：鄂鹏一、课题背背景及研研究目的的1.1 霍尔推进器器的应用背背景及工工作原理理随着卫星技技术的迅迅速发展展以及人人类对太太空探索索的不断断加速，相相应为航航天器轨轨道飞行行任务提提供机动动力的推推进技术术也在不不断的发发展。就就目前已已经成熟熟在太空空飞行器器上应用用的各种种推进方方式而言言，以其其产生推推动力的的能量来来源进行行分类，可可分为化化学推进进（Chhemiicall Prropuulsiion）和和电推进进（Ellecttricc Prropuu

2、lsiion,简称EEP）两两种基本本方式1。化化学推进进通过推推进剂化化学燃烧烧产生的的气体在在喷管中中膨胀产产生反冲冲推力，而而电推进进则是通通过各种种不同的的方式使使电能转转化为推推进剂气气体的反反冲动能能而产生生推力。电电推进在在地球轨轨道飞行行任务中中（比如如轨道插插入、轨轨道转移移、姿态态控制、轨轨道保持持和降轨轨等）具具有很多多优势并并逐渐取取代化学学推进方方式。传传统的化化学推进进装置比比冲一般般小于8800ss，而电电推进装装置的典典型比冲冲要高于于15000s，因因此采用用电推进进作为航航天器的的推进系系统时，其其所需携携带推进进剂的质质量将大大大降低低，提高高航天器器的有

3、效效载荷率率，降低低发射费费用。另另外，电电推进器器装置的的推力较较小，一一般在几几mN几十mmN的量量级，因因而有助助于实现现飞行器器的高精精度定位位，这对对于发展展多颗微微小卫星星通过组组网与编编队飞行行来完成成各种复复杂精密密任务具具有重要要的意义义2, 3。霍尔（Haall）推推进器（如如图 1所示）是是一种技技术相对对成熟的的电推进进装置，自自从19972年年成功应应用于前前苏联“流流星号”卫卫星以来来，目前前已有超超过2000 颗颗航天器器采用霍霍尔推进进器作为为主推进进系统或或辅助推推进系统统（工作作时的羽羽流如图图 2）4。 图 1 霍霍尔推进进器（哈哈尔滨工工业大学学 P77

4、0型实实验样机机） 图 2霍尔推推进器放放电图 24霍尔推进器器利用电电能将工工质气体体（通常常使用惰惰性气体体，普遍遍为氙）电电离生成成等离子子体并利利用通道道内的轴轴向电场场将离子子加速喷喷出获得得推力。其其具体结结构和工工作原理理如图33所示：分别将将两个半半径不同同的陶瓷瓷套管固固定在同同一轴线线上组成成了具有有环形结结构的等等离子体体放电通通道。在在推进器器的阳极极和阴极极之间施施加一定定的电压压，内外外磁线圈圈和磁极极将在通通道内产产生磁场场，磁场场构型由由整体磁磁路结构构和励磁磁电流共共同决定定，正常常工作状状态下，通通道内磁磁场方向向主要沿沿通道半半径方向向。在径径向磁场场的条

5、件件下，阳阳极和阴阴极之间间的放电电等离子子体在通通道内将将产生自自洽的轴轴向电场场，这样样，在环环形通道道内将形形成正交交的电磁磁场。电电子在正正交电磁磁场作用用下形成成了周向向漂移运运动，形形成的电电流我们们称之为为halll电流流。由于于磁场对对电子的的束缚作作用，电电子不能能直接流流向阳极极出现短短路的情情况，阳阳极与阴阴极之间间的电势势差的绝绝大部分分都落在在通道内内接近出出口的强强磁场区区域，在在这个区区域，被被磁场束束缚住的的大量电电子与阳阳极注入入的推进进剂原子子发生碰碰撞，并并使其电电离形成成离子，离离子在通通道内轴轴向电场场的作用用下加速速喷出形形成反冲冲推力，同同时电子子

6、通过各各种传导导机制到到达阳极极，在通通道内实实现了稳稳定的等等离子体体放电过过程，由由于喷出出的离子子流会和和阴极发发射的电电子中和和，因此此推进器器在工作作过程中中不会产产生负电电荷积累累，一直直保持电电中性6。图 3 霍尔推推进器工工作原理理图1.2 影响霍尔推推进器性性能的主主要因素素影响霍尔推推进器性性能的主主要因素素有很多多，如离离子流的的发散角角大小、通通道陶瓷瓷材料特特性及表表面形貌貌等，然然而，很很多研究究成果表表明电导导率分布布是影响响霍尔推推进器性性能的主主要因素素，是霍霍尔推进进器设计计中的关关键技术术之一7，88。所以合合理的电电导率分分布对霍霍尔推进进器的性性有决定

7、性性的影响响，因此此研究霍霍尔推进进器内的的三种电电子传导导机制是是研究合合理电导导分布的的前提。1.2.1 合理的电导导率分布布霍尔推进器器通道内内的等离离子放电电是一个个复杂并并且自洽洽的物理理过程，在在研究过过程中，研研究者广广泛采用用了根据据放电性性质的差差异将通通道划分分为三个个典型特特征区域域，它们们分别是是近阳极极区、原原子电离离区和离离子加速速区（图 4）。近近阳极区区是通道道内靠近近阳极位位置的区区域，该该区域内内的磁场场强度和和电势降降很小；原子电电离区是是电子温温度和电电子密度度较高的的区域，在在该区域域从阳极极注入的的推进剂剂原子同同电子发发生碰撞撞电离成成为离子子；离

8、子子加速区区是通道道内磁场场最强的的区域，放放电电压压主要集集中在该该区域，离离子在该该区域的的强电场场作用下下被加速速喷出产产生推力力9，110。轴向传导电电流对霍霍尔推进进器的性性能有重重要影响响，因为为电导机机制决定定着电源源电势降降在通道道内不同同区域的的分配，最最终会影影响霍尔尔推进器器通道内内不同区区域所发发生的物物理过程程111。如如图5所示，从从电导的的角度来来看，霍霍尔推进进器通道道的各个个区域都都可以看看作为等等效电阻阻，整个个推进器器通道可可以看作作是各部部分等效效电阻的的串连，各各部分阻阻值的分分配决定定了整个个电源的的电势降降在各部部分上的的分配。因因此，需需要根据据

9、各部分分的物理理过程决决定霍尔尔推进器器通道内内合理的的电导分分布。 图 4 霍霍尔推进进器通道道内特性性区域 图 5 霍霍尔推进进器通道道内电导导轴向分分布示意意图（1）近阳阳极区。为为了保证证有足够够的电子子到达阳阳极以维维持放电电的稳定定性，这这个区域域的电导导率相对对需要较较大。（2）电离离区。霍霍尔推进进器内的的电离过过程是电电子和中中性的推推进剂原原子发生生碰撞所所产生的的，电离离对于电电子能量量的损耗耗明显，为为了保证证电子具具有足够够的能量量向阳极极迁移以以维持放放电，该该区域的的电导率率要根据据电子温温度的变变化向阳阳极方向向逐渐增增大。（3）加速速区。加加速区是是推进器器出

10、口处处一段很很窄的区区域，在在这个区区域需要要建立“过过热”电电场，即即具有较较大的电电势降。对对离子而而言，这这是为了了获得较较高的加加速电压压，使推推进器具具有较高高的比冲冲和效率率，另外外，电势势降在很很窄的区区域能减减少出射射离子对对通道壁壁面的溅溅射，延延长推进进器的寿寿命。对对电子而而言，要要使电子子从阴极极穿越加加速区到到达电离离区的过过程中得得以“升升温”，确确保电场场提供给给电子的的能量足足以弥补补电子迁迁移过程程中因碰碰撞而造造成的损损失，使使作为电电离“种种子”的的电子具具有足够够的能量量，因此此要求电电场过热热度，这这样就要要求该区区域的电电导率较较小。通过上面的的分析

11、可可以得出出霍尔推推进器通通道内理理想的电电导率轴轴向分布布（如下下图 6所示）。图 6霍霍尔推进进器通道道内理想想电导率率轴向分分布示意意图1.2.2 霍尔推进器器通道内内的电导导机制发动机通道道内的电电子被正正交电磁磁场位形形约束在在某一有有限区域域内做圆圆周方向向的稳定定霍尔漂漂移运动动，并不不产生轴轴向位移移，因此此不会有有宏观传传导电流流产生；只有当当其他因因素破坏坏了电子子这种稳稳定霍尔尔漂移运运动以后后，电子子才会在在轴向电电场作用用下沿通通道轴向向进行迁迁移，表表现出宏宏观的传传导电流流。目前前发现在在霍尔推推进器的的通道中中共存在在以下三三种破坏坏电子稳稳定霍尔尔漂移运运动的

12、因因素：电电子与重重粒子碰碰撞、等等离子体体集体振振荡、电电子与壁壁面碰撞撞，分别别称由以以上三种种因素引引起的电电子传导导为经典典传导、玻玻姆（BBohmm）传导导和近壁壁传导12。l 经典传导与重粒子碰碰撞（一一般以与与中性原原子碰撞撞为主）产产生的经经典传导导机制是是等离子子物理中中发现最最早的一一种传导导机制，由其引起的的轴向传传导电流流可以写写成（11）式的的形式13，114。(1)其中，是电电子与中中性原子子碰撞频频率；是是电子回回旋频率率；是电电子密度度；当的时候，（11）式可可以写作作(2)可见，与重重粒子碰碰撞引起起的电子子轴向传传导电流流与电子子密度成成正比，与与磁场强强度

13、的平平方成反反比。l 近壁传导近壁传导机机制最初初是由AA.I.Morrozoov在研研究稳态态等离子子发动机机的背景景下提出出的，之之后逐渐渐建立起起相应的的理论体体系。与经典传导导相似的的是近壁壁传导也也是由于于碰撞破破坏了电电子的霍霍尔漂移移运动而而产生的的一种轴轴向电导导机制，但但其不同同的是近近壁传导导是由于于电子与与发动机机通道壁壁面的碰碰撞而引引起的。近近壁传导导引起的的轴向传传导电流流与经典典传导相相似，可可写作（3）式的形式15，16，17。(3)l 玻姆传导在实际等离离子体放放电装置置中，常常常会发发现轴向向传导电电流比（22）式预预言的要要大，玻玻姆在实实验中发发现轴向向

14、传导电电流与成成反比，而而不是（22）式中中所示的的。经研研究发现现这是由由于当等等离子体体存在振振荡的时时候，会会引起电电场同步步振荡从从而电子子横越磁磁场的扩扩散加剧剧，最终终表现为为轴向传传导电流流增加，这这种由等等离子体体振荡引引起的传传导被称称为玻姆姆传导机机制118，119。之后，Yooshiikawwa和RRosee系统研研究了玻玻姆传导导机制，并并建立了了相应的的理论。在在玻姆传传导机制制作用下下，轴向向传导电电流可写写成（44）式的的形式20，221，222。(4)其中，是霍霍尔系数数，在玻玻姆的早早期工作作中认为为。1.3 本项目研究究目的及及意义本项目的研研究目的的在于通

15、通过控制制霍尔推推进器通通道内电电导率分分布，从从而调节节电势沿沿通道轴轴向的分分布，优优化推进进器的工工作性能能。目前针对霍霍尔推进进器通道道内电势势分布优优化的设设计手段段主要有有增加中中间电极极、改变变磁路系系统结构构等，虽虽然这类类设计手手段能在在一定程程度上优优化电势势在通道道内的分分布，但但是这种种调节手手段只是是在电极极和磁极极附近对对电势的的调节作作用比较较明显，针针对离电电极和磁磁极较远远的区域域调节作作用有限限，因而而这类设设计手段段严格来来说是局局部优化化，而非非全局优优化。本本项目给给出的设设计方法法主要是是改变通通道内陶陶瓷表面面的形貌貌，并辅辅以磁场场强度的的调节，

16、从从而实现现在通道道内各等等离子体体放电功功能区域域的电导导率优化化，因而而这种设设计方法法是一种种全局优优化，根根据目前前所掌握握的公开开发表文文献资料料，还没没有研究究者提出出这种设设计思想想。本项项目给出出的设计计方法能能够进一一步丰富富霍尔推推进器的的优化设设计体系系，对促促进霍尔尔推进技技术的发发展有着着较为重重要的理理论意义义和实际际意义。二、课题研研究主要要内容经典传导由由电子与与重离子子碰撞产产生，近近壁传导导由电子子与通道道壁面的碰碰撞产生生。虽然然二者都都是由于于碰撞破破坏了电电子稳定定霍尔漂漂移运动动引起的的，但是是由于碰碰撞发生生的位置置不同，所所以对于于整个发发动机通

17、通道内电电导的贡贡献也不不尽相同同。电子子与重粒粒子碰撞撞引起的的经典传传导发生生于整个个通道，与与通道的的容积相相关，可可以称之之为容积积传导；而电子子与壁面面碰撞引引起的近近壁传导导只发生生于通道道的壁面面附近，与与通道的的表面积积相关，所所以可称称之表面面传导。霍霍尔推进进器的容容积很小小，电子子与重粒粒子碰撞撞的几率率比较小小，平均均自由程程大约在在米的量量级。相相对于霍霍尔推进进器的体体积而言言，其表表面积很很大，电电子与壁壁面的碰碰撞几率率就比较较大，等等效平均均自由程程与通道道宽度相相同，大大约在厘厘米量级级。因此此，在霍霍尔推进进器通道道内，近近壁传导导相对经经典传导导来说占占

18、主导23。玻姆传导是是等离子子体振荡荡引起的的一种电电子传导导机制，与与通道内内的磁场场位形有有关。这这种传导导机制与与经典传传导、近近壁传导导机制（由由碰撞产产生）有有着本质质上的不不同。大大量的研研究表明明玻姆传传导是产产生电子子反常输输运现象象的主要要因素之之一224, 25。本项目基于于近壁传传导和玻玻姆传导导的作用用机理，通通过理论论和实验验相结合合的手段段研究它它们对霍霍尔推进进器通道道内电导导率分布布的控制制规律，丰丰富霍尔尔推进器器性能优优化的设设计体系系。三种电子传传导机制制如下图图7所示。图 7 三三种传导导机制比比较图1.4 近壁传导机机制的控控制规律律1.4.1 通道壁

19、面形形貌是影影响近壁壁传导的的关键因因素等离子体与与通道壁壁面的相相互作用用会在壁壁面之前前形成等等离子体体鞘层区区。等离离子体鞘鞘层会随随着壁面面形貌的的变化而而变化，壁壁面形貌貌通过对对鞘层的的影响最最终影响响霍尔推推进器通通道内的的近壁传传导电流流。当霍尔推进进器壁面面形貌的的粗糙尺尺度远小小于鞘层层厚度的的时候，鞘鞘层边界界基本不不受壁面面粗糙度度的影响响，与电电子打向向壁面的的径向方方向垂直直，鞘层层电场的的方向也也将严格格沿径向向。该径径向鞘层层电场的的存在将将发动机机通道中中的电子子按照鞘鞘层电势势分作能能量高于于鞘层势势垒的高高能电子子和能量量低于鞘鞘层势垒垒的低能能电子两两类

20、。只只有高能能量电子子可以克克服鞘层层能量势势垒与壁壁面发生生碰撞从从而对近近壁电导导有贡献献，如图图8中位位置2处处的电子子运动所所示；低低能量电电子则被被内外壁壁面附近近的鞘层层封闭在在通道的的有限区区域内无无法与壁壁面发生生碰撞，对对近壁传传导没有有贡献，如如图8中位位置1处处的电子子运动所所示。因因此，类类比于经经典电导导中电子子与重粒粒子碰撞撞产生的的碰撞截截面的概概念，可可以提出出近壁电电导中电电子与壁壁面碰撞撞的“等效碰碰撞截面面”的概念念。如图图9所示示，经典典传导中中电子与与重粒子子的碰撞撞截面随随电子能能量函数数的变化化是连续续的，而而近壁传传导中电电子与壁壁面的碰碰撞截面

21、面随电子子能量函函数的变变化则是是阶跃的的，其中中断点就就是鞘层层电场形形成的势势垒。鞘鞘层电场场的存在在阻止了了部分低低能量电电子与壁壁面发生生碰撞引引起的近近壁传导导，鞘层层的势垒垒越强，被被阻止参参与近壁壁传导的的电子也也就越多多266。 图 8 鞘鞘层对电电子运动动的影响响示意图图 图 9 电子子碰撞截截面示意意图而当霍尔推推进器壁壁面的粗粗糙尺度度大于鞘鞘层的厚厚度时，相比时鞘层形形状会发发生较大大的变化化，这就影响响到了推推进器通通道内的的近壁传传导。如如图100所示，此此时鞘层层边界会会随着壁壁面形貌貌的变化化而变化化。当鞘鞘层边界界与通道道径向垂垂直的时时候（如如图100位置1

22、1处所示示），近近壁传导导与微粗粗糙度的的情况相相同；当当鞘层边边界与通通道径向向不垂直直的时候候（如图图10位位置2处处所示），低低能量的的电子进进入鞘层层以后虽虽然仍被被鞘层势势垒封闭闭，不会会与壁面面发生碰碰撞，但但是经过过鞘层电电势场的的镜面反反射以后后，低能能量的电电子与入入射前相相比，其其各个方方向上的的能量将将会重新新分配27。图 10 鞘层随随壁面形形貌的变变化假设鞘层厚厚度稳定定不变，从从一般意意义上来来讲，在在直角坐坐标系下下，霍尔尔推进器器绝缘壁壁面附近近的鞘层层电场可可分解为为（如图图11所所示）：（5）沿电子在鞘鞘层内的的运动路路径L积分，并并考虑电电场的保保守性，可

23、可得鞘层层对运动动电子的的影响： （6）式中：和为为鞘层表表面上电电子入射射和出射射位置；表达式式中的三三项分别别是鞘层层对霍尔尔推进器器通道内内电子轴轴向、径径向和周周向运动动能量的的影响。 图 11 鞘层电电场分解解示意图图 图图 12 电子子被鞘层层的镜面面反射示示意图方程（6）表表明对于于入射能能量小于于（鞘层层电势）的的低能量量电子而而言，电电子进出出鞘层以以后总能能量变化化量，即即鞘层电电场不对对其做功功。但是是在一般般情况下下而言，电电子进出出鞘层以以后，各各方向的的能量变变化量即即鞘层电电场会改改变电子子总能量量在各方方向上的的分配。如如上图112所示示，设电电子引导导中心入入

24、射速度度为，经经过鞘层层的镜面面反射以以后电子子出射的的速度将将为：（6a）其中：（6b）因此，进出出鞘层以以后低能能量电子子在各方方向上的的速度和和能量变变化量分分别为：（7a）（7b）（7c）可见，低能能量电子子进出鞘鞘层以后后与直接受受当地鞘鞘层边界界形状参参数（和和）的影影响。当当通道壁壁面存在在大粗糙糙形貌时时，鞘层层边界会会随着通通道壁面面的形状状而发生生变化，鞘鞘层电场场的方向向不再沿沿径向（），此时低能量电子沿径向磁力线方向以速度，进入鞘层反射出来后导向中心的速度变为，此时鞘层将会改变电子在各方向的能量分配，即。因此，低能量电子被鞘层镜面反射以后，在霍尔漂移方向的能量会发生变化

25、，即破坏其稳定霍尔漂移运动，进而产生轴向位移，表现为低能量电子也会参与近壁传导。利用这一物理过程，可以人为划取一定长度、宽度和深度的沟槽来改变宏观的壁面形貌以满足电导沿通道的特定要求。1.4.2 采用轴向变变化的壁壁面形貌貌优化发发动机性性能通道壁面的的形貌特特点对霍霍尔推进进器内部部物理过过程的影影响具有有普遍和和重要的的意义，因因此就自自然地引引出了寻寻找合适适的壁面面形貌来来优化霍霍尔推进进器性能能指标的的问题。目目前霍尔尔推进器器内整个个陶瓷套套筒壁面面粗糙程程度均一一，这样样通道内内鞘层电电场的方方向一致致，因此此只能够够从整体体上来选选择最优优的壁面面粗糙程程程度，限限制了通通过局

26、部部优化而而达到整整体最佳佳优化效效果的可可能性。为了同时对对霍尔推推进器 内三个个不同区区域实现现优化目目标，就就要找到到一种可可行的方方案能够够对霍尔尔推进器器的整体体实现最最优化，而而不仅仅仅是局部部。可以以考虑将将原有壁壁面整体体单一粗粗糙程度度的问题题拓展到到实现壁壁面形貌貌沿轴向向变化的的设计问问题，以以实现在在不同的的区域内内通过采采用相应应的不同同壁面形形貌来进进行性能能优化。这这样就能能够大大大增强推推进器设设计的自自由度。这这一设计计理论的的基础就就是对通通道内工工作特性性的不同同的三个个典型区区域通过过选择合合适的轴轴向电导导率进行行性能优优化。根据实际工工况在霍霍尔推进

27、进器通道道内以不不同物理理机制工工作的不不同区域域划取一一定长度度、宽度度和深度度的沟槽槽可以改改变宏观观的避面面形貌以以满足电电导沿通通道的特特定要求求（2.2.11 中已已做分析析）。这这样不仅仅能使高高能量的的电子参参与传导导，而且且还能使使原来被被鞘层势势垒和磁磁场束缚缚的低能能电子也也参与传传导，从从而提高高了电子子的传导导能力，降降低了此此区域轴轴向电压压降，使使放电的的通畅性性和稳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过过其表面面鞘层电电场的反反射来实实现电子子的传导导，所以以采用轴轴向变化化的壁面面形貌不不仅不会会损失能能量，而而且电子子还会从从鞘层电

28、电场中获获得能量量。另外外，这种种传导方方式对壁壁面材料料特性依依赖很小小，当霍霍尔推进进器长时时间工作作造成壁壁面有沉沉积物（离离子流对对真空罐罐或其它它“靶”材料的的轰击造造成负离离子进入入推进器器通道）产产生时，也也不会对对这种传传导产生生影响。这这种人为为划取的的表面沟沟槽尺寸寸要比原原子半径径大很多多，因此此即使霍霍尔推进进器长时时间运行行，离子子和电子子对壁面面的溅射射也不会会对壁面面的表面面形貌产产生大的的影响。1.5 玻姆传导机机制的控控制规律律在前面已经经介绍，玻玻姆传导导是一种种等离子子体湍流流运动引引起的电电子传导导机制，所所产生的的电导率率大小与与所施加加磁场强强度的平

29、平方成反反比。霍霍尔推进进器通道道内的典典型磁场场位形及及磁场强强度沿轴轴向的分分布分别别如下图图13和和图144所示。由于改变通通道壁面面形貌后后能促进进该区域域的慢电电子（低低能电子子）向阳阳极方向向的传导导，而若若要抑制制某区域域电子的的传导，则则只能通通过增加加此区域域的磁场场强度，限限制玻姆姆传导。 图 13 实验验样机通通道内的的磁场位位形 图 14 实验验样机典典型径向向磁场轴轴向分布布1.6 实验分析及及验证1.6.1 实验装置（1）推进进器推进器样机机环形陶陶瓷通道道外径、宽宽、长，见见图155所示。内内陶瓷套套筒的外外圆面上上沿圆周周方向均均匀开有有四个槽槽，每个个槽的尾尾

30、端都与与内陶瓷瓷套筒的的尾端之之间的距距离为；外陶瓷瓷套筒的的内圆面面上沿圆圆周方向向均匀开开有四个个沟槽，每每个槽的的长度方方向中心心线都与与外陶瓷瓷套筒的的轴心线线相平行行，每个个沟槽的的尾端都都与外陶陶瓷套筒筒的尾端端之间的的距离为为，如图116所示示。 图 15 实验样样机结构构图 图 16 划沟沟后的陶陶瓷套筒筒（2）真空空系统真空罐长，直直径，真真空系统统由两台台抽速为为的油扩扩散泵实实现并维维持真空空度，真真空系统统静压能能达到，推进器器供气流流量为时时，真空空罐内压压强约为为。如图 17所示。图 17 真空罐罐（3）测量量设备 本实验采采用的测测量设备备有泰克克TDSS2022

31、4示波波器、推推力仪、朗朗缪尔探探针、和和Avaa八通道道光栅光光谱仪和和高斯计计（如图 18所示）。光光谱仪的的测量范范围为，分分辨率小小于，考考虑到光光谱仪探探测器敏敏感度的的影响，实实验测量量时一般般仅涉及及的波段段，为抑抑制噪声声和防止止信号饱饱和，测测量积分分时间选选为。为了减减小光纤纤带宽对对光谱辐辐射强度度测量的的影响，在在接收光光纤头部部安装了了一个直直径6mmm的准准直镜，这这样只有有直径66mm内内的平行行光才能能被光谱谱仪接收收处理，提提高了测测量精度度。推进进器通道道内德拜拜半径在在左右，而而电子的的拉莫尔尔半径在在的量级级，为减减小探针针对等离离子体的的扰动并并保证足

32、足够的接接收面积积，确定定钨丝的的直径为为，氧化化铝陶瓷瓷套筒直直径。 图 18 光谱分分析仪与与高斯计计朗缪尔探针针和光纤纤探头的的位置如如下图 19所示，朗朗缪尔探探针紧靠靠外陶瓷瓷套筒，记记录探针针的伏安安特性曲曲线，为为减小离离子流对对探针的的烧蚀，探探针的敏敏感部分分超出陶陶瓷内壁壁面仅；光纤探探头采集集出口截截面的光光谱辐射射强度，为为避免外外陶瓷套套筒外缘缘略超出出出口截截面带来来的影响响，将探探头放置置在轴向向和径向向分别距距出口截截面中心心和的位置置，另外外，考虑虑到扫描描方向上上不能有有任何障障碍，安安装时使使朗缪尔尔探针和和光纤探探头的朝朝向在周周向成角角。在抽抽真空之之

33、前，对对推力仪仪和光谱谱仪进行行标定。图 19 朗缪尔尔探针、光光纤探头头与推力力器的相相对位置置示意图图1.6.2 实验结果（1）壁面面形貌对对电子传传导的影影响陶瓷套筒未未开槽，在在放电电电压，工工质质量量流量（氙氙气，纯纯度）；其推力力,比冲冲,效率率；划沟沟后的实实验样机机进器在在同样的的工质气气体、放放电电压压和工质质质量流流量的条条件下其其推力,比比冲,效效率。对对比二者者的结果果，可以以看出，划划沟后的的推力器器性能有有了明显显的提高高。其效效率能够够提高个个百分点点。（2）磁场场强度对对电子传传导的影影响通道内的特特征磁场场强度小小于（对对应最小小放电电电流）时时，当特特征磁场

34、场强度时时，离子子电流的的大小几几乎不随随发生变变化，电电子电流流与成平方方反比关关系。但但当时，发发现了一一些不符符合现有有电子传传导理论论的特殊殊现象：随着磁磁场强度度的增加加，电子子电流逐逐渐变大大，离子子电流变变化很小小，时，进进入“平台区区”（在此此区域随随的变化化较小，而而有较大大幅度的的增加），经经过此“平台区区”后，又随随的增加加而迅速速变大，而而几乎保保持不变变。三、结论本课题通过过对霍尔尔推力器器通道内内电子传传导行为为的研究究，得出出了如下下成果：1、改变通通道陶瓷瓷表面形形貌的非非均一设设计方法法该设计方法法是通过过在陶瓷瓷表面划划取沿圆圆周方向向的沟槽槽改变电电子向阳

35、阳极方向向的传导导特性，从从而调节节电导率率的轴向向分布，是是一种针针对霍尔尔推进器器通道内内电势分分布的全全局优化化方法。（该成果已申请国家发明专利并得到受理，申请号：200710144976.6，详见附录一）2、发现了了电子电电流“反常突突变”现象通过实验发发现了霍霍尔推进进器在强强磁场下下电子的的特殊传传导行为为，现有有的电子子输运理理论无法法解释，针针对这一一现象，在在强磁场场工况下下，进行行了较为为系统的的推进其其性能测测试和内内部等离离子体参参数的诊诊断。（该该成果已已整理成成论文“AAn EExpeerimmenttal Stuudy of Loccal Maggnettic F

36、ieeld Inttenssityy Efffeccts on thee Diischhargge CCharractteriizattionn off Haall Thrrustterss”，被被ICEEMS220088国际会会议录用用，EII待检，详详见附录录二）四、问题、体体会与收收获问题：虽然在近壁壁传导和和强磁场场下的电电子传导导研究方方面取得得了一些些阶段性性的成果果，但是是由于时时间和精精力有限限，没能能对陶瓷瓷划沟优优化后的的推进器器进行性性能实验验，另外外，对于于强磁场场下推进进器的实实验诊断断缺乏等等离子高高频及超超高频段段振荡的的信息，因因而对电电子电流流“反常突突变”现

37、象背背后的物物理本质质缺乏足足够的认认识。体会与收获获：回想科技创创新项目目从申请请到结题题的历程程，我们们的收获获不胜枚枚举。项项目申请请之前，我我们对科科研的方方方面面面一无所所知，而而现在，我我们已经经从整体体上对研研究的过过程有了了初步的的认识。从从根本意意义上说说，这种种认识是是一种科科学的思思维方式式，这也也是今后后的学习习、工作作中不可可缺少的的素质。我我们的组组员来自自不同的的专业，在在这一年年里我们们相互学学习，并并向老师、师师兄虚心心请教，第第一次将将课堂上上很多分分立的学学科融合合起来并并应用于于实际。我我们用书书上学来来的理论论知识指指导实验验，通过过实验又又能更加加深

38、刻的的理解书书上的知知识并拓拓展到相相关内容容，如此此往复，在在这种良良性循环环的学习习模式下下，逐渐渐进步，增增长了多多方面的的知识和和技能。更更重要的的是，我我们在老老师和师师兄的教教导下学学会严谨谨、求实实的科研研态度，学学会了遇遇到问题题时自主主学习、刻刻苦钻研研的精神神，也学学会了冲冲破思想想束缚大大胆创新新的勇气气。这种种切实的的科研精精神是我我们最大大的收获获。总之之，参加加科技创创新项目目是一个个正确的的选择，我我们的诸诸多收获获是大学学期间得得到的一一笔真正正的财富富。由于这次大大学生科科技创新新项目的的锻炼，我们除了在电磁场与等离子体物理技术方面更加成熟之外，还获得了宝贵的

39、科研经验和方法。五、结束语语与致谢谢在科技创新新完成之之际，首首先向我我们的指指导老师师鄂鹏老老师表示示衷心的的感谢。在本课题的研究及论文撰写过程中，始终得到了鄂鹏老师悉心的指导和教诲，他教给我们做科研的一些基本方法使我们受益终生。在这里还特特别感谢谢江滨浩浩教授的的谆谆教教导，在在做科技技创新期期间不仅仅手把手手传授知知识，还还传授了了做学问问的方法法。这些些都将使使我们终终生受益益。衷心感谢所所有帮助助过我们们的老师师、师兄兄师姐、还还有同学学们，正正是由于于他们默默默无闻闻的奉献献和帮助助，才使使我们有有信心和和毅力完完成全部部课题的的研究工工作。六、参考文文献1 K. N. Koozu

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