为探索放电室能量损耗机制,开展了离子推力器放电室能量平衡研究.基于放电室零维模型,得到放电室电流平衡关系,结合放电室电势分布,分析放电室能量损耗并建立了能量平衡模型.应用模型计算LIPS200离子推力器放电室各项能量损耗,并进一步得到各能量损耗所占比例,所得结果与国外离子推力器NEXT具有较好的一致性;采用多工况试验参数(阳极电流4.0~4.4 A,阳极电压34~38 V)对放电室总能量损耗进行动态验证,结果表明:计算结果与试验结果误差小于3%.

为了优化20 cm离子推力器放电室内部推进剂供气方式, 研究了在不发生气体放电时, 推力器阳极和主阴极供气接口处的流体速度和压强, 并以此开展推力器放电室内部的流场计算。结果表明: 采用单阳极供气管方式, 阳极出口处压强为4~158 Pa, 气流出口速度为0.1~47 m/s；阴极小孔出口处的压强约为33.1 Pa, 出口速度约为12 m/s；考虑真空系统的返流作用时, 单阳极供气管方式下放电室内部压强为0.001~0.4 Pa, 大部分区域Xe原子数密度为(0.2~3)×1018/m3, 在靠近栅极的部分区域数密度达到9×1019/m3左右；在增加阳极组件的供气管数量后, 阳极的气体出口速度为18~40 m/s, 放电室压强为0.03~0.1 Pa, 大部分区域Xe原子数密度为(0.72~2.4)×1019/m3, 靠近阳极与主阴极进气端的小部分区域原子数密度约2×1017/m3, 且放电室内部原子密度整体分布较为均匀。

为了对30 cm口径离子推力器的磁场设计提出合理建议，研究了四极磁场结构下，不同尺寸的磁极宽度和磁极间距对磁极表面磁场强度和放电室电子约束长度的影响，并利用Maxwell-3D磁场分析软件得到柱段和锥段永磁体分别呈30°，60°和90°夹角时的放电室磁场强度分布，根据不同磁场强度计算了电子温度、离子密度以及电离率等推力器放电参数。结果表明，当推力器放电电压为30 V时，磁极长度设计为0.008 m且磁极间距取为0.12 m，电子约束路径大约为50 m; 柱段和锥段永磁体分别呈30°，60°和90°夹角时，放电室磁场等势线基本在0.002~0.005 T之间; 永磁体夹角为60°时磁场分布和磁空区相比30°和90°夹角更为合理，此时的电子温度约在2~6 eV，等离子体密度约在4×1017~8×1017 m-3，电子碰撞频率比率约在0.2~1.8范围内。

为了对霍尔推力器的热分析研究提供准确的能耗加载条件,开展了霍尔推力器稳态工况下的热模型研究。基于等离子体理论,分析放电室内各项能量损耗机理,并建立各能量损耗与推力器工作参数、性能参数和结构参数的相关函数,系统地得到了霍尔推力器的完整热模型。以LHT100推力器为研究对象,热模型计算结果显示: 额定工况下束流能量损耗约889 W,壁面能量损耗约300 W,阳极能量损耗约44 W,电离能量损耗约43 W,辐射能量损耗约34 W等。以此能量损耗作为热边界条件进行有限元分析,并开展热平衡试验进行验证,计算结果与试验结果吻合较好,最大误差小于5%。