大径高比霍尔推力器中多价离子的生成与加速特性研究及其性能优化机制

本研究针对大径高比霍尔推力器(HEP-1350PM)中多价离子生成与加速特性不明的问题，开发了基于PIC数值模拟的电离统计分析方法，定量解析了多价离子(Xe2+/Xe3+)的生成规律。研究发现：相比传统SPT-100推力器，HEP-1350PM多价离子总电离率提升3.2%，加速电势增加11%，羽流中多价离子比例提高1.34%，揭示了其实现高比冲的关键机制，为推力器优化提供理论支撑。

　　

在太空竞赛白热化的今天，等离子体推进技术已成为各国角力的焦点。作为电推进的"明星选手"，霍尔推力器凭借结构简单、比冲高的优势，在卫星轨道维持、姿态调整等任务中大显身手。然而，传统推力器面临一个尴尬局面：想要提高推力效率，往往需要增大体积；而航天器对设备的紧凑性要求又极为苛刻。如何让推力器"瘦身"的同时提升性能？大径高比设计（通道宽度与半径比值显著增大）应运而生，但这种新型结构却带来了新的科学谜题——为何采用这种设计的HEP-1350PM推力器能比传统SPT-100产生更多高价态氙离子(Xe²⁺/Xe³⁺)，这些"带电高手"又是如何影响推力器性能的？

为解开这些谜团，来自中国的研究团队创新性地将粒子网格(Particle-in-Cell, PIC)模拟与电离统计分析相结合，就像给离子运动装上了"显微镜"和"计时器"。他们首先建立包含多价电离过程的PIC模型，通过追踪每个带电粒子的"人生轨迹"，精确统计不同价态离子的出生率；接着采用E×B探针对HEP-1350PM的羽流离子进行诊断，就像用"离子筛"分离不同能量的带电粒子。这种"虚实结合"的研究策略，让看不见的等离子体行为变得清晰可测。

多价离子生成与分布特性
研究发现大径高比结构就像个"电离温室"：通道表面积体积比降低使电子与壁面碰撞减少，电子温度升高至5-15eV，恰好满足Xe²⁺(12.1eV)和Xe³⁺(20.3eV)的电离能需求。HEP-1350PM中多价离子总电离率达18.7%，比SPT-100高出3.2%，其中Xe²⁺主要分布在通道出口下游5-10mm区域，形成独特的"电离峰"。

多价离子加速与壁面侵蚀特性
高价离子展现"短跑健将"特质：Xe³⁺平均加速区间仅2.1mm，比Xe⁺短37%，但因其携带更多电荷，在相同电势梯度下可获得更高动能。有趣的是，虽然多价离子对壁面单位面积的侵蚀能量较低，但随着其产量增加，整体侵蚀贡献可达12%-15%，这种"蚂蚁搬家"效应需引起重视。

多价离子诊断实验与分析
E×B探针测量验证了模拟结论：HEP-1350PM羽流中Xe²⁺比例达6.84%，比SPT-100高1.34%，其能量分布呈现双峰结构，对应不同加速阶段的离子群体。实验数据与模拟误差控制在8%以内，证实了分析方法的可靠性。

这项发表于《Vacuum》的研究，不仅揭示了大径高比推力器性能提升的"离子密码"，更开创了电离统计分析新范式。研究证实：多价离子就像推力器的"涡轮增压器"，虽然数量占比不足7%，却能通过电荷倍增效应显著提升比冲；而PIC与统计方法的联用，为等离子体设备的"数字孪生"提供了新工具。这些发现为下一代霍尔推力器的"性能瘦身计划"指明了方向——在优化多价电离的同时，需建立动态平衡机制以控制壁面侵蚀，这正是未来研究亟待突破的"卡脖子"难题。