3千瓦级双级阳极层霍尔推进器中的电子传导与电离-加速解耦：电压效应分析

《Vacuum》：Electron Conduction and Ionization-Acceleration Decoupling in a 3kW-Class Double-Stage Anode Layer Hall Thruster: Voltage Effects Analysis

双级阴极层霍尔推进器通过粒子注入细胞模拟、法拉第探针和光谱诊断，研究双级阴极电压对电离-加速解耦效率及电子传输的影响。结果表明，电离电压60-90V时特定冲量达峰值，总电离率随电压升高持续增强，解耦效率提升126%。最佳电压范围需兼顾电离效率与磁通密度（峰值722Gs），优化参数可降低能量损失8.4%并提高推进效率。

　　本研究聚焦于双级阳极层霍尔推进器的性能优化问题，探讨了双级阳极电压对离子化与加速过程解耦效率以及电子传输机制的影响。在航天推进技术领域，霍尔推进器因其相较于化学推进系统的高效率和高比冲（specific impulse）而受到广泛关注。双级阳极层霍尔推进器（DS-TAL）作为一种特殊设计，理论上可以实现离子化与加速过程的空间解耦，从而为推进器性能的优化提供新的思路。然而，目前关于DS-TAL的系统化控制机制和定量标准仍存在不足，亟需进一步研究。

为了深入理解双级阳极电压对推进器性能的具体影响，研究团队采用了一种综合性的方法，包括粒子在细胞（PIC）模拟、法拉第探针测量和光谱诊断等手段。这些实验和模拟手段共同揭示了阳极电压在离子化与加速过程中的关键作用。研究发现，离子化电压在0–30 V范围内可显著降低第二级阳极电流，这归因于第一级阳极在靠近壁面区域对低能电子的高效收集。通过定义一个总的离子化率指标，研究者能够量化解耦效率，这一指标反映了单位时间内在电势超过阈值区域发生的离子化事件数量。

在双级阳极层霍尔推进器的运行过程中，离子化电压主要决定了预离子化的完整性，而加速电压则决定了加速区域的定位。研究结果表明，在特定的配置下，总的离子化率比其他情况提高了62%，同时比冲（specific impulse）也相应增加了8.4%。这一配置在比冲提升方面实现了126%的改善，比冲提升幅度达到9.8%。这些数据表明，双级阳极层霍尔推进器在优化电压配置后，能够显著提升推进性能。

数值模拟预测了一个最佳的离子化电压范围（60–90 V），低于该范围会导致预离子化不足，而高于该范围则会降低电流利用率和比冲。在该最佳范围内，比冲达到峰值，而电流利用率则在特定电压条件下达到最大值。然而，总的离子化率随着离子化电压的增加而持续增长，即使在150 V时也表现出良好的增长趋势。这一现象表明，离子化电压对离子化过程的影响具有较强的非线性特征，而加速电压则对加速过程的定位起着关键作用。

在设计双级阳极层霍尔推进器时，研究人员关注到了其结构特点。与传统的单级霍尔推进器相比，双级阳极层霍尔推进器在阳极设计上采用了额外的被动电极，使得离子化与加速过程可以在不同的空间区域进行。这种设计不仅有助于提高推进器的效率，还能够优化电子传输机制，从而提高整体性能。然而，这种设计也带来了新的挑战，例如如何在不同电压条件下实现最佳的离子化与加速过程解耦，以及如何优化电子传输路径以提高推进效率。

研究还发现，不同类型的推进剂对离子化电压和加速电压的需求存在差异。例如，对于氙气推进剂，最佳离子化电压在125–90 V范围内，而加速电压则需要超过500 V才能实现有效的离子加速。对于铋气推进剂，最佳离子化电压则在155–220 V之间，随着推进剂质量流量的增加，最佳离子化电压略有下降。这些结果表明，推进剂的种类和特性对双级阳极层霍尔推进器的运行参数有重要影响，需要在设计和运行过程中加以考虑。

此外，研究还探讨了不同型号的霍尔推进器在双级阳极电压条件下的表现。例如，D-80型号的推进器在固定离子化电压的情况下，其比冲对加速电压的依赖性较强，而D-100-Ⅱ型号的推进器则表现出最佳离子化电压与推进剂的离子化势能之间的显著关联。这些发现进一步验证了双级阳极层霍尔推进器在优化电压配置后能够实现更高的比冲和更优的性能。然而，研究也指出，随着加速电压的增加，离子化损失趋于稳定，而可操作的离子化电压范围则扩大，这表明在双级架构中，电压的协调优化对于实现最佳性能至关重要。

为了确保研究的准确性和可靠性，研究团队采用了实验诊断与数值模拟相结合的方法。通过比较实验数据与模拟结果，研究人员验证了模拟方法的有效性。同时，研究还关注了三个关键的微观参数：离子化率、电势分布和电子温度。这些参数的变化对推进器的整体性能具有重要影响，因此需要在设计和运行过程中加以优化。

本研究的结构安排如下：第二部分详细介绍了设计的推进器的基本参数、实验装置和模拟平台；第三部分则通过粒子在细胞（PIC）数值模拟和法拉第探针测量，系统分析了双级阳极电压对离子化与加速过程解耦效率和电子传输机制的影响；第四部分对研究的结论进行了总结。研究团队还强调了在推进器设计和运行过程中，对电压参数的系统化研究和优化的重要性，以实现更高的推进效率和更优的性能表现。

研究发现，双级阳极层霍尔推进器在高磁场强度和导电壁材料的条件下，电子传输机制与传统霍尔推进器存在显著差异。这种差异使得双级阳极层霍尔推进器在优化离子化与加速过程方面具有更大的潜力。此外，研究还指出，双级阳极层霍尔推进器的运行效率受到多种因素的影响，包括电压配置、磁场强度、壁材料的选择以及推进剂的种类和特性。因此，在推进器的设计和运行过程中，需要综合考虑这些因素，以实现最佳的性能表现。

在实验过程中，研究人员对D-120型号的双级阳极层霍尔推进器进行了详细的测试和分析。实验装置包括一个通道直径为120.2 mm、通道宽度为20.4 mm的推进器，采用纯永久磁铁激发系统，使用SmCo材料。通过有限元分析软件（FEMM）进行初步的2D磁场设计，实现了较高的磁场强度。实验结果表明，该推进器在特定的电压配置下能够实现较高的比冲和电流利用率，同时在离子化与加速过程的解耦方面表现出良好的性能。

通过分析实验数据和模拟结果，研究团队进一步确认了双级阳极层霍尔推进器在优化电压配置后的性能优势。同时，研究还指出了不同电压配置对推进器性能的具体影响，例如在较低的离子化电压下，预离子化不足会导致推进效率下降，而在较高的离子化电压下，离子化损失趋于稳定，但电流利用率和比冲可能会受到影响。这些发现为双级阳极层霍尔推进器的设计和运行提供了重要的参考依据。

此外，研究还探讨了双级阳极层霍尔推进器在不同电压条件下的运行特性。例如，在固定离子化电压的情况下，比冲随着加速电压的增加而提高，但增长速率逐渐减小；而在固定加速电压的情况下，比冲则随着推进剂质量流量的增加而提高。这些结果表明，双级阳极层霍尔推进器的运行特性受到多种因素的综合影响，需要在设计和运行过程中进行细致的调整和优化。

在推进器设计和运行过程中，研究人员还关注了电子温度和电势分布的变化对推进器性能的影响。电子温度的变化可能会影响电子的收集效率和传输路径，而电势分布的变化则可能影响离子的加速过程和电子的运动轨迹。因此，在优化推进器性能时，需要综合考虑这些微观参数的变化，并通过实验和模拟手段进行验证和调整。

本研究的结果表明，双级阳极层霍尔推进器在优化电压配置后能够实现更高的比冲和更优的性能表现。然而，研究也指出，不同型号的推进器在优化电压配置方面存在一定的差异，需要根据具体的运行需求和推进剂特性进行调整。此外，研究还强调了在推进器设计和运行过程中，对电压参数的系统化研究和优化的重要性，以实现更高的推进效率和更优的性能表现。

研究团队还指出，在推进器运行过程中，离子化与加速过程的解耦程度是影响推进器性能的关键因素。因此，在设计和运行双级阳极层霍尔推进器时，需要充分考虑这一因素，并通过实验和模拟手段进行验证和调整。同时，研究还发现，电子的传输路径和能量分布对推进器的整体性能具有重要影响，因此需要在推进器设计和运行过程中进行优化。

在实验和模拟过程中，研究人员还关注了推进器的结构特点和运行参数的优化问题。例如，双级阳极层霍尔推进器的结构设计使得离子化与加速过程可以在不同的空间区域进行，从而提高了推进器的效率和性能。然而，这种设计也带来了新的挑战，例如如何在不同电压条件下实现最佳的离子化与加速过程解耦，以及如何优化电子传输路径以提高推进效率。

研究团队还指出，在推进器运行过程中，电压参数的优化需要考虑多个因素，包括磁场强度、壁材料的选择、推进剂的种类和特性等。因此，在推进器设计和运行过程中，需要综合考虑这些因素，并通过实验和模拟手段进行验证和调整。同时，研究还发现，电子的传输路径和能量分布对推进器的整体性能具有重要影响，因此需要在推进器设计和运行过程中进行优化。

本研究的结果表明，双级阳极层霍尔推进器在优化电压配置后能够实现更高的比冲和更优的性能表现。然而，研究也指出，不同型号的推进器在优化电压配置方面存在一定的差异，需要根据具体的运行需求和推进剂特性进行调整。此外，研究还强调了在推进器设计和运行过程中，对电压参数的系统化研究和优化的重要性，以实现更高的推进效率和更优的性能表现。

通过分析实验和模拟结果，研究团队还发现，双级阳极层霍尔推进器的运行效率受到多种因素的综合影响，包括电压配置、磁场强度、壁材料的选择以及推进剂的种类和特性。因此，在推进器设计和运行过程中，需要充分考虑这些因素，并通过实验和模拟手段进行验证和调整。同时，研究还发现，电子的传输路径和能量分布对推进器的整体性能具有重要影响，因此需要在推进器设计和运行过程中进行优化。

研究团队还指出，在推进器运行过程中，电压参数的优化需要考虑多个因素，包括磁场强度、壁材料的选择、推进剂的种类和特性等。因此，在推进器设计和运行过程中，需要充分考虑这些因素，并通过实验和模拟手段进行验证和调整。同时，研究还发现，电子的传输路径和能量分布对推进器的整体性能具有重要影响，因此需要在推进器设计和运行过程中进行优化。

综上所述，本研究通过对双级阳极层霍尔推进器的系统化研究，揭示了电压参数对推进器性能的关键影响，并提出了优化电压配置的策略。研究结果表明，双级阳极层霍尔推进器在优化电压配置后能够实现更高的比冲和更优的性能表现。然而，不同型号的推进器在优化电压配置方面存在一定的差异，需要根据具体的运行需求和推进剂特性进行调整。此外，研究还强调了在推进器设计和运行过程中，对电压参数的系统化研究和优化的重要性，以实现更高的推进效率和更优的性能表现。