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1、近壁电导的基础理论,报告人：张凤奎,主要内容,前言 近壁电导的研究意义 电子传导机理 近壁电导主要影响因素 近壁传导的实验研究 近壁电导的数值模拟结果 近壁传导机制研究在推力器设计中的应用展望,1.前言,霍尔推力器从其工作原理上来讲是一种存在近似正交电磁场位形的等离子体放电装置，电导电流的大小是该类型装置的一个重要性能指标 。,霍尔推力器主要有以下几个主要研究方面的容： 霍尔推力器通道内等离子体与壁面的相互作用过程 。 霍尔推力器通道壁面材料的选型和优化 。 磁场位形的设计及其对霍尔推力器等离子体的影响。,2.近壁电导的研究意义,1. 从功能转换的角度来看，霍尔推力器是一种将电源的电能转换为推
2、进工质动能的能量转换装置，在转换过程中，电导电流会带来能量的损失，需要尽量减小电导电流才能提高推力器的能量转化效率，但同时电导电流的存在是维持推力器正常工作的必要条件，太小的电导电流会导致推力器工作异常直至熄火，因此从能量转化的角度而言，合理控制电导电流的大小是提高霍尔推力器效率的一个基本设计问题。,2 . 霍尔推力器加速喷出的工质，利用其动能来产生有效推力的，加速的效果会直接影响推力器的重要性能指标比冲和推力，而推力器通道内控制离子加速的电场分布是由其内部电导机制直接决定的，所以从推力器本身来讲，合理控制电导分布是提高霍尔推力器比冲和推力的一个基本设计问题。因此，推力器通道内的电导机制是影响
3、推力器工作性能的基本设计问题。霍尔推力器的发明人A.I.Morozov教授曾说，霍尔推力器的成功主要是建立在正确电导机制的认识基础之上的。,3.电子传导机理,在推力器通道内存在的正交电磁场位形下，电子被约束在某一有限区域内做圆周方向的稳定霍尔漂移运动，并不产生轴向位移，因此不会有宏观传导电流产生；只有当其他因素破坏了电子这种稳定霍尔漂移运动以后，电子才会在轴向电场作用下沿通道轴向进行迁移，表现出宏观的传导电流，其大小与通道内约束电子运动的磁场强度相关，根据各种破坏漂移运动因素的不同，在稳态等离子通道内共发现存在三种传导机制。经典传导，玻姆传导 ，近壁传导 。,1.电子经典传导： 在研究磁化等离
4、子体中电子横越磁场的运动机制 时，最早发现的是电子与重粒子碰撞（一般以与中 性原子碰撞为主）的因素。当电子与原子发生碰撞 的时候，电子由于随机游动过程而实现横越磁场的 运动。随机游动的步长是拉莫尔半径的大小。,经典传导的公式表达 ： （1） 当 时，上面公式可以写成： （2） 电子与重粒子碰撞引起的电子轴向传导电流与电 子密度成正比，与磁场强度的平方成反比 ， 利用公式（2）求得的传导电流小于推力器正常工作 状态的传导电流值，因此推力器中还有其他破坏电子 霍尔漂移运动，促使其发生横越磁场运动的电导机制 存在 ：一个是玻姆传导 ，一个是近壁传导 。,玻姆传导最早是由玻姆在实验室中发现的他发现在
5、实际电离度很高的等离子体放电装置中，轴向传导 电流常常会比（2）式预言的要大，而且其定量关系 是轴向传导电流与直接 成反比 。由于高电离度的 等离子体中存在振荡的缘故引起的，在完全电离的 等离子体中的不稳定波会引起电场同步振荡从而电 子横越磁场的扩散加剧，最终表现为轴向传导电流 增加，这种由等离子体振荡引起的传导被称为玻姆 传导机制 。,2.玻姆传导：,玻姆传导的公式描述： 在玻姆传导理论下，霍尔参数 被认为是常 数，因此有 ： （3） 很多学者也倾向于用玻姆传导来解释推力器中存在 的这种附加传导电流。 A.I.Morozov教授则认为霍尔 推力器沿通道的正梯度磁场位形可以有效抑制引起 玻姆传
6、导的等离子体振荡，推力器通道中的传导电 流与磁场强度的关系仍然符合公式（2）的描述， 而非公式（3） 。提出了在推力器通道中存在着另 外一种新的传导机制电子近壁传导机制。,3.电子近壁传导 ： 近壁传导机制认为霍尔推力器通道内的电子在霍尔 漂移的过程中，不仅会与重粒子发生碰撞，而且在 更大概率意义下会与通道壁面发生碰撞，产生轴向 传导。,电子霍尔漂移运动示意图,电子沿周向做霍尔漂移运动的同时也会在热运动作用下沿径向运动，当电子沿径向运动与通道壁面发生碰撞后，电子的稳定霍尔漂移运动被破坏，即电子周向漂移速度不再满足（5）式，为了重新建立稳定的霍尔漂移运动，电子会在轴向电场的作用下沿轴向运动，从而
7、与通道轴向电场交换能量，使得周向漂移速度满足当地正交电磁场位形下霍尔漂移速度的需求，即电子周向漂移速度重新满足（5）式，电子重新建立起稳定霍尔漂移运动。,电子近壁传导的示意图,电子近壁传导的公式描述： 从上图中可以看出电子与壁面发生碰撞产生传导的过程，而 且近壁传导引起的轴向传导电流与磁场强度的定量关系和经 典传导相似，可写作（6）式的形式： （6） 从以上分析可知，在存在正交电磁场位形的等离子放电装置 中，电子与壁面发生碰撞从而破坏电子稳定霍尔漂移运动是 产生电子近壁传导的一个关键因素，因此放电装置的壁面条 件对于近壁传导机制的的影响很大。霍尔推力器这种面容比 很大的等离子体放电装置而言，近
8、壁传导将会在其传 导机制中起到重要作用 。,基于“碰撞理论”导致的近壁传导理论和经典传导理论相同，都表明了电子传导电流与约束电子的磁场强度成平方反比关系，而由等离子体自身的集体振荡导致的电子传导电流与磁场强度则直接成反比关系。这种定量关系的不同将直接引起在推力器磁场位形下所建立起电场性质的不同。电导电流与磁场强度成反比关系的玻姆传导引起的电导较大，相应通道内建立起的电场强度就相对较弱；而电导电流与磁场强度平方成反比关系的近壁传导引起的电导较小，相应通道内建立起的电场强度就相对较强。,4.近壁电导主要影响因素,通道壁面条件对电子近壁传导机制的影响。 通道内磁场对电子近壁传导机制的影响。,5.近壁
9、传导的实验研究,在研究的单一电子发射真实状态下，通道体积被分 成了具有电子移动方向交替出现的面平行层系统。 在这种情况下层的厚度为： 而沿着z轴在层里单位长度上的电流为：,不同轴向位置处电流密度的径向分布：,不同磁场大小电流密度的径向分布：,不同放电电压下电流密度的径向分布：,6.近壁电导的数值模拟结果,环形通道下近壁传导电流密度分布曲线： 通道外壁面处的近壁传导电流密度值要比内壁面处大 。,原因分析：,7.近壁传导机制研究在推力器设计中的应用展望,霍尔推力器通道内的特征区域 ：近阳极区磁场强度 和电势降要求要小；原子电离区是电子温度和电子 密度较高的区域；离子加速区是通道内磁场最强的 区域，
10、放电电压主要集中在该区域，离子在该区域 的强电场作用下加速喷出产生推力。霍尔推力器通 道电导轴向分布示意图 ：,从电子传导的角度来看，霍尔推力器通道的各个区 域都可以看作为等效电阻，整个推力器通道可以看 作是各部分等效电阻的串连，如下图所示。各部分 阻值的分配决定了整个电源的电势降在各区域上的 分配。因此，需要根据各部分的物理过程决定霍尔 推力器通道内合理的电导分布。,霍尔推力器通道内电子电流和离子电流轴向分布示意图：,霍尔推力器通道内电子温度轴向分布示意图 ：,霍尔推力器通道内理想的电导率轴向分布示意图： 对于近阳极区而言，为了保证有足够多的电子到达阳极 以维持放电的稳定性，并且减小电压损失
11、，提高效率， 这个区域的电子电流较大，即近阳极区需要较大的电 导率。,对于原子电离区而言，电离过程是电子和中性的推进剂原子发生碰撞所产生的，碰撞电离需要损耗电子的动能，局部电子的能量是电离过程发生的关键因素。电离过程发生的主要区域内对应的电子温度由电离开始的位置向阳极逐渐减少，除去该电离能量损耗以后，为了保证电子具有足够的能量继续向阳极迁移以维持放电，所以该区域的电导率就要根据电子温度的变化向阳极方向逐渐增大（电子温度沿通道轴向的分布图所示）。,对于离子加速区而言，离子加速区是霍尔推力器出口处一段很窄的区域，在这个区域需要建立强电场，即需要具有较大的电势降。强电场的建立是为了喷射出的离子获得较高的加速电压，从而使推力器具有较高的比冲和效率，另外，电势降在出口区很窄的区域能减少出射离子对通道壁面的溅射，延长推力器的寿命。因此，为了在离子加速区建立起强电场，要求该区域的电导率较小。,电子传导对霍尔推进器是非常重要和基础的课题，当 然电子传导的研究内容也是很复杂的：影响因素多， 不确定因素多。虽然现在有了一些研究结果，但还需 要继续做大量的工作去不断补充和完善电子传导的理 论，从而为设计出更高性能的发动机提供理论支持。,谢谢大家！,
