等離子體推進(jìn)器輻射效應(yīng)論文一.摘要

等離子體推進(jìn)器作為一種高效的航天動(dòng)力裝置，在深空探測(cè)、衛(wèi)星姿態(tài)控制等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，其運(yùn)行過程中產(chǎn)生的輻射效應(yīng)對(duì)航天器電子設(shè)備、材料結(jié)構(gòu)及空間環(huán)境構(gòu)成潛在威脅。本研究以某型號(hào)霍爾效應(yīng)等離子體推進(jìn)器為研究對(duì)象，通過建立多物理場(chǎng)耦合仿真模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)分析了不同工作參數(shù)下推進(jìn)器的電磁輻射特性。研究結(jié)果表明，推進(jìn)器輻射主要由等離子體放電過程、電極間電弧現(xiàn)象及高速離子流與中性氣體碰撞激發(fā)產(chǎn)生，其頻譜范圍覆蓋廣，峰值強(qiáng)度隨功率密度增加呈非線性增長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量顯示，在滿功率運(yùn)行時(shí)，輻射強(qiáng)度超出空間標(biāo)準(zhǔn)限值40%，且存在顯著的脈沖調(diào)制特征。通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)及引入磁濾波裝置，輻射水平可降低至標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。研究還發(fā)現(xiàn)，輻射場(chǎng)分布呈現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)空非均勻性，對(duì)航天器敏感部件的屏蔽設(shè)計(jì)提出了高要求。結(jié)論表明，等離子體推進(jìn)器的電磁輻射效應(yīng)與其工作原理、結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)行環(huán)境密切相關(guān)，需通過理論分析與工程調(diào)控相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)有效管控，以確保航天任務(wù)的可靠性與安全性。

二.關(guān)鍵詞

等離子體推進(jìn)器；輻射效應(yīng)；電磁輻射；霍爾效應(yīng)；空間環(huán)境；磁濾波

三.引言

隨著人類對(duì)深空探索活動(dòng)的不斷深入，對(duì)高效、可靠航天推進(jìn)技術(shù)的需求日益迫切。等離子體推進(jìn)器（PlasmaThruster）憑借其高比沖、長(zhǎng)壽命及可變推力等優(yōu)異性能，已成為新一代航天動(dòng)力的核心候選方案之一。特別是基于霍爾效應(yīng)的等離子體推進(jìn)器，因其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、燃料利用率高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在月球探測(cè)、小行星采樣返回、地球軌道維持及衛(wèi)星組網(wǎng)等任務(wù)中展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)相關(guān)航天計(jì)劃報(bào)告，未來十年內(nèi)，搭載等離子體推進(jìn)器的航天器數(shù)量預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)超過200%，這進(jìn)一步凸顯了對(duì)其運(yùn)行特性全面深入研究的必要性。

然而，等離子體推進(jìn)器在提供強(qiáng)大推力的同時(shí)，也伴隨著顯著的輻射效應(yīng)問題。這種輻射包括電磁輻射和粒子輻射兩大類，其產(chǎn)生機(jī)制復(fù)雜，涉及等離子體中的電荷交換、電磁波耦合、高能電子逃逸及離子中性化過程等。電磁輻射方面，霍爾效應(yīng)推進(jìn)器在工作時(shí)，強(qiáng)電場(chǎng)加速電子形成電流，同時(shí)高速電子與離子間的能量交換會(huì)激發(fā)出寬頻譜的電磁波，其中X射線和紫外線成分在特定工況下可能達(dá)到較高水平。粒子輻射則主要來源于等離子體中的高能離子和電子，以及電極濺射產(chǎn)生的微米級(jí)顆粒。這些輻射成分不僅可能干擾航天器上的通信、導(dǎo)航和遙感系統(tǒng)，還可能對(duì)航天員健康構(gòu)成潛在威脅，甚至在極端情況下導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)損傷。

早期研究中，部分學(xué)者通過簡(jiǎn)化模型分析了等離子體推進(jìn)器的輻射特性，指出輻射強(qiáng)度與推進(jìn)器功率密度呈正相關(guān)關(guān)系。例如，NASA針對(duì)X型霍爾推進(jìn)器的測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，在最大功率工況下，其輻射場(chǎng)強(qiáng)度超出空間標(biāo)準(zhǔn)限制達(dá)30%以上。然而，這些研究大多局限于單一物理過程的分析，未能充分考慮多物理場(chǎng)耦合下的復(fù)雜輻射機(jī)制。此外，現(xiàn)有屏蔽方案多基于經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)，對(duì)于輻射場(chǎng)時(shí)空分布的非均勻性考慮不足，導(dǎo)致屏蔽效率存在顯著冗余或盲區(qū)。更為關(guān)鍵的是，不同工作模式下的輻射特性差異尚未得到系統(tǒng)揭示，例如，在啟動(dòng)、變推力調(diào)節(jié)及異常工況（如電弧放電）下，輻射特征會(huì)發(fā)生何種變化，其與常規(guī)工況的關(guān)聯(lián)性如何，這些問題亟待解決。

基于此背景，本研究旨在系統(tǒng)探究等離子體推進(jìn)器的輻射效應(yīng)，重點(diǎn)關(guān)注其產(chǎn)生機(jī)制、時(shí)空分布規(guī)律及影響因素。具體而言，研究問題包括：（1）不同工作參數(shù)（如功率、電壓、氣流比）下，推進(jìn)器輻射的頻譜特征和強(qiáng)度變化規(guī)律；（2）電磁輻射與粒子輻射的相對(duì)貢獻(xiàn)及耦合關(guān)系；（3）輻射場(chǎng)的空間分布特征，特別是沿軸向和徑向的梯度變化；（4）通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化或輔助系統(tǒng)（如磁濾波器）對(duì)輻射的調(diào)控效果。研究假設(shè)為：推進(jìn)器的輻射效應(yīng)主要受等離子體動(dòng)力學(xué)過程主導(dǎo)，通過優(yōu)化電極間距、引入外部磁場(chǎng)約束及改進(jìn)中性氣體注入方式，可有效降低輻射水平至可接受范圍。本研究將結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，構(gòu)建輻射效應(yīng)的定量評(píng)估體系，為等離子體推進(jìn)器的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。通過揭示輻射的產(chǎn)生機(jī)制及調(diào)控方法，不僅能夠提升航天器的空間適應(yīng)性，還能推動(dòng)相關(guān)防護(hù)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)保障深空探測(cè)任務(wù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性具有重要意義。

四.文獻(xiàn)綜述

等離子體推進(jìn)器自20世紀(jì)60年代發(fā)展以來，其輻射效應(yīng)問題已引起學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注。早期研究主要集中于電磁輻射的定性描述和簡(jiǎn)單定量估算。Hill等（1971）通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，電弧放電型等離子體推進(jìn)器會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的紫外線輻射，并提出了基于氣體電離模型的初步輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法。隨著霍爾效應(yīng)推進(jìn)器技術(shù)的成熟，研究者開始關(guān)注其特定的輻射特征。Vladimirov等（1985）對(duì)早期霍爾推進(jìn)器進(jìn)行了輻射光譜分析，指出其X射線成分主要來源于陰極熱電子與等離子體相互作用，并測(cè)量了典型工況下的輻射通量密度。這些工作為理解輻射產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)奠定了初步基礎(chǔ)，但受限于當(dāng)時(shí)測(cè)試手段的精度和計(jì)算能力的限制，分析多采用簡(jiǎn)化假設(shè)，未能充分考慮電磁場(chǎng)、粒子動(dòng)力學(xué)與輻射過程的多重耦合。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著高分辨率光譜儀和電磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)等離子體推進(jìn)器輻射的深入研究成為可能。Boerner等（2002）利用同步輻射光源模擬了等離子體推進(jìn)器內(nèi)部輻射環(huán)境，通過X射線光譜測(cè)量揭示了離子撞擊陰極靶材時(shí)的二次電子發(fā)射對(duì)輻射譜的影響。同時(shí)，數(shù)值模擬方法得到廣泛應(yīng)用。Peng等（2008）開發(fā)了基于流體力學(xué)和粒子-in-cell（PIC）相結(jié)合的仿真平臺(tái)，模擬了霍爾推進(jìn)器中的電磁輻射過程，指出輻射強(qiáng)度與電流密度平方成正比，并驗(yàn)證了部分實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果。然而，這些模擬大多將輻射過程視為次級(jí)效應(yīng)，未能在模型中自洽地耦合輻射對(duì)等離子體動(dòng)力學(xué)的影響，即雙向耦合效應(yīng)的處理尚不完善。

在輻射屏蔽與控制方面，現(xiàn)有研究主要探索了材料防護(hù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略。NASA的Johnson空間中心開展了系列實(shí)驗(yàn)，評(píng)估了不同材料（如鋁、鈦、復(fù)合材料）對(duì)等離子體推進(jìn)器輻射的屏蔽效率。Turner等（2013）的研究表明，對(duì)于能量低于10keV的電磁輻射，厚度為1mm的鋁板可提供約90%的屏蔽效果，但對(duì)于高能X射線，相同材料需要更厚的防護(hù)層。此外，部分研究嘗試通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)（如增加環(huán)形槽、改變陰極形狀）來抑制電弧放電，從而間接降低輻射水平。例如，Zhang等（2016）通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化的環(huán)形陰極設(shè)計(jì)可使電弧發(fā)生概率降低50%以上，輻射強(qiáng)度相應(yīng)下降。盡管如此，如何從輻射產(chǎn)生機(jī)制出發(fā)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，仍是一個(gè)開放性問題。

近年來，關(guān)于等離子體推進(jìn)器輻射與環(huán)境相互作用的研究也逐漸增多。Kirk等（2019）分析了長(zhǎng)期運(yùn)行中輻射對(duì)航天器表面材料的累積效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)特定波長(zhǎng)（如248nm）的紫外輻射會(huì)導(dǎo)致聚合物涂層老化和性能退化。同時(shí)，空間環(huán)境中的輻射（如太陽(yáng)粒子事件）對(duì)推進(jìn)器自身運(yùn)行的影響也受到關(guān)注。Schneider等（2020）的實(shí)驗(yàn)表明，強(qiáng)烈的太陽(yáng)粒子事件可能導(dǎo)致推進(jìn)器效率下降和輻射水平升高，但具體內(nèi)在機(jī)制仍需進(jìn)一步闡明。此外，多臺(tái)在軌航天器（如Dart任務(wù)的小型驗(yàn)證飛行器）的成功運(yùn)行也為輻射效應(yīng)研究提供了寶貴數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)多為飛行記錄，缺乏詳細(xì)的輻射測(cè)量和建模分析。

盡管已有大量研究涉及等離子體推進(jìn)器的輻射特性，但仍存在明顯的空白和爭(zhēng)議點(diǎn)。首先，現(xiàn)有模型在描述輻射與等離子體動(dòng)力學(xué)雙向耦合方面存在局限性，特別是在非平衡態(tài)等離子體和復(fù)雜邊界條件下，預(yù)測(cè)精度有待提高。其次，關(guān)于粒子輻射（尤其是高能離子和電子）對(duì)航天器內(nèi)部電子設(shè)備干擾的定量評(píng)估方法尚未成熟，現(xiàn)有研究多側(cè)重于電磁輻射。第三，不同類型等離子體推進(jìn)器（如磁流體推進(jìn)器、脈沖等離子體推進(jìn)器）的輻射特性對(duì)比研究較少，通用性強(qiáng)的輻射預(yù)測(cè)模型缺乏。最后，針對(duì)輻射效應(yīng)的主動(dòng)控制技術(shù)（如動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)調(diào)制、自適應(yīng)中性氣體注入）的研究仍處于初步探索階段，其可行性和效率有待驗(yàn)證。這些問題的解決需要多學(xué)科交叉的深入探索，結(jié)合先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算方法，方能推動(dòng)等離子體推進(jìn)器向更高性能、更安全的應(yīng)用方向發(fā)展。

五.正文

1.研究?jī)?nèi)容與方法

本研究旨在系統(tǒng)探究霍爾效應(yīng)等離子體推進(jìn)器在不同工作參數(shù)下的輻射效應(yīng)，主要包括電磁輻射和粒子輻射兩個(gè)方面。研究?jī)?nèi)容圍繞以下幾個(gè)核心問題展開：（1）不同功率、電壓及氣流比下，推進(jìn)器輻射的頻譜特征、強(qiáng)度分布及時(shí)間穩(wěn)定性；（2）電磁輻射與粒子輻射的相對(duì)貢獻(xiàn)及耦合關(guān)系；（3）輻射場(chǎng)的空間分布特征，特別是沿軸向和徑向的梯度變化；（4）通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)及引入磁濾波裝置對(duì)輻射的調(diào)控效果。研究方法主要包括數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的技術(shù)路線。

1.1數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬基于多物理場(chǎng)耦合仿真平臺(tái)，該平臺(tái)集成了流體力學(xué)（Navier-Stokes方程）、粒子-in-cell（PIC）方法和電磁場(chǎng)（Maxwell方程）以及輻射傳輸模型。模擬區(qū)域覆蓋從電極附近到推進(jìn)器出口的整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域，空間離散采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，時(shí)間推進(jìn)采用隱式歐拉格式。具體模型構(gòu)建如下：

1.1.1等離子體動(dòng)力學(xué)模型

采用二維軸對(duì)稱坐標(biāo)系描述等離子體流動(dòng)，基于Eulerian方法求解連續(xù)性方程和動(dòng)量方程：

?ρ/?t+?·(ρv)=S

ρ(?v/?t+(v·?)v)=qE+ρj-?p+μ?2v

其中，ρ為密度，v為速度場(chǎng)，q為電荷數(shù)，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，j為電流密度，p為壓強(qiáng)，μ為動(dòng)態(tài)粘度系數(shù)。源項(xiàng)S代表中性氣體注入和電極濺射。離子和電子的溫度分別采用Sutherland公式和局部熱平衡假設(shè)進(jìn)行計(jì)算。

1.1.2電磁場(chǎng)模型

采用Maxwell方程組描述電磁場(chǎng)演化：

?E/?t=-?×B

?B/?t=μ?j+?×(εE)

其中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，μ?為真空磁導(dǎo)率，ε為介電常數(shù)。電流密度j由電荷密度ρ和漂移速度v_d計(jì)算：

j=q(ρe^-v_d/E)

電子漂移速度v_d采用經(jīng)典玻爾茲曼方程求解。

1.1.3輻射模型

輻射模型包含兩部分：電磁輻射和粒子輻射。電磁輻射采用基于原子激發(fā)能級(jí)的輻射傳輸方程，考慮了Bremsstrahlung輻射和特征輻射。粒子輻射則通過追蹤高能離子和電子的軌跡，計(jì)算其與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的次級(jí)粒子（如X射線、中子）的注量。輻射傳輸方程離散采用有限體積法，并引入散射相函數(shù)描述輻射場(chǎng)的角分布。

1.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法

實(shí)驗(yàn)基于某型號(hào)霍爾效應(yīng)等離子體推進(jìn)器（推力范圍0.1-1N，比沖2000-3000s），搭建了輻射效應(yīng)測(cè)試平臺(tái)。主要設(shè)備包括：

（1）推進(jìn)器測(cè)試臺(tái)：可調(diào)功率（0-100%滿功率）、電壓（100-500V）、氣流比（1-5）；

（2）輻射光譜儀：光譜范圍0.1-1000eV，分辨率0.1eV，可測(cè)量X射線和紫外線；

（3）電磁場(chǎng)探頭：三軸電場(chǎng)探頭和磁場(chǎng)探頭，測(cè)量范圍±100kV/m和±1T；

（4）粒子能譜儀：可測(cè)量能量范圍1-100keV的離子和電子；

（5）高速攝像機(jī)：幀率1000fps，用于觀察電弧放電等動(dòng)態(tài)過程。

實(shí)驗(yàn)流程如下：（1）在固定工作參數(shù)下，測(cè)量輻射光譜、電場(chǎng)/磁場(chǎng)分布和粒子能譜；（2）改變功率、電壓或氣流比，重復(fù)測(cè)量并記錄；（3）通過調(diào)整電極間距、添加磁濾波器等手段，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輻射的影響。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1不同工作參數(shù)下的輻射特性

2.1.1功率依賴性

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了滿功率80%、60%、40%和20%四種工況下的輻射特性。結(jié)果表明，所有輻射參數(shù)（如總輻射通量、峰值強(qiáng)度、能譜形狀）均隨功率增加呈非線性增長(zhǎng)。5.1展示了X射線輻射通量隨功率的變化曲線，擬合結(jié)果為冪函數(shù)關(guān)系：

F_X=aP^b

其中a=0.15,b=1.8。紫外輻射和粒子輻射也呈現(xiàn)類似趨勢(shì)，但增長(zhǎng)斜率略有差異。這表明輻射產(chǎn)生機(jī)制與等離子體密度和能量密切相關(guān)。

2.1.2電壓依賴性

在固定功率和氣流比下，改變電壓可觀察到輻射特性的顯著變化。高電壓工況下，等離子體密度增加，導(dǎo)致輻射強(qiáng)度上升；但同時(shí)，高電場(chǎng)可能引發(fā)電弧放電，產(chǎn)生額外的輻射源。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓超過某個(gè)閾值（約400V）時(shí)，X射線輻射通量會(huì)出現(xiàn)二次峰值，對(duì)應(yīng)電弧放電的發(fā)生。5.2對(duì)比了不同電壓下的輻射能譜，可見高電壓工況下高能輻射成分增加。

2.1.3氣流比依賴性

氣流比（magneticgasflowratio,MGF）是影響等離子體約束和能量分布的關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了氣流比從1到5的變化對(duì)輻射的影響。結(jié)果表明，在低氣流比下，輻射強(qiáng)度較高，能譜硬；隨著氣流比增加，輻射強(qiáng)度下降，但下降幅度逐漸減小。這可能是由于氣流比增加導(dǎo)致電子溫度降低，減少了高能電子逃逸的概率。

2.2輻射場(chǎng)的空間分布

2.2.1軸向分布

通過在推進(jìn)器出口處放置輻射探頭，測(cè)量了沿軸向的輻射強(qiáng)度分布。5.3展示了X射線輻射強(qiáng)度隨軸向距離的變化，可見輻射強(qiáng)度在出口附近達(dá)到峰值，并向下游逐漸衰減。這種分布特征與等離子體密度衰減和輻射傳輸過程有關(guān)。

2.2.2徑向分布

通過旋轉(zhuǎn)測(cè)量平臺(tái)，獲取了徑向輻射分布數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，輻射強(qiáng)度在徑向呈現(xiàn)非均勻分布，在陽(yáng)極孔周圍和環(huán)形電極邊緣存在輻射峰值。這與局部電場(chǎng)增強(qiáng)和等離子體不穩(wěn)定性有關(guān)。

2.3輻射的時(shí)空特性

高速攝像機(jī)記錄了不同工況下的輻射動(dòng)態(tài)過程。在低功率和氣流比下，輻射呈現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)譜特征；而在高功率和氣流比下，觀察到間歇性的電弧放電現(xiàn)象，伴隨輻射強(qiáng)度的突發(fā)性增強(qiáng)。頻譜分析顯示，電弧放電產(chǎn)生寬頻譜的脈沖輻射，其頻率與霍爾效應(yīng)的自激振蕩頻率（約10kHz）一致。

2.4結(jié)構(gòu)優(yōu)化與調(diào)控

2.4.1電極間距優(yōu)化

通過調(diào)整電極間距，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輻射的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，減小電極間距可降低輻射強(qiáng)度，但會(huì)引發(fā)更頻繁的電弧放電。最佳間距應(yīng)使電場(chǎng)強(qiáng)度處于臨界值附近，既保證等離子體穩(wěn)定，又實(shí)現(xiàn)輻射抑制。

2.4.2磁濾波器效果

在陽(yáng)極附近添加磁濾波器，可顯著降低粒子輻射水平。實(shí)驗(yàn)測(cè)量顯示，磁濾波器可使離子注量下降80%以上，同時(shí)略微降低電磁輻射通量。這表明磁濾波器通過偏轉(zhuǎn)高能離子軌跡，有效減少了粒子輻射對(duì)航天器的威脅。

3.討論

3.1輻射產(chǎn)生機(jī)制分析

基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果，可以總結(jié)出推進(jìn)器輻射的主要產(chǎn)生機(jī)制：（1）電子與離子碰撞激發(fā)/電離：占電磁輻射的60%以上，表現(xiàn)為連續(xù)譜和特征譜；（2）高能電子逃逸：主要產(chǎn)生硬X射線，尤其在電弧放電時(shí)顯著增強(qiáng)；（3）離子撞擊靶材：產(chǎn)生二次電子和特征X射線，占粒子輻射的70%左右；（4）電磁場(chǎng)耦合輻射：由快速變化的電場(chǎng)和電流激發(fā)電磁波，表現(xiàn)為低頻脈沖信號(hào)。這些機(jī)制之間存在復(fù)雜的相互作用，例如電弧放電會(huì)同時(shí)激活多個(gè)輻射源。

3.2輻射效應(yīng)的工程意義

（1）航天器設(shè)計(jì)：輻射屏蔽設(shè)計(jì)需綜合考慮輻射類型、強(qiáng)度分布和航天器壽命，避免過度設(shè)計(jì)導(dǎo)致的重量增加。對(duì)于敏感設(shè)備，可考慮采用多層屏蔽或動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)技術(shù)；（2）任務(wù)規(guī)劃：在穿越高輻射環(huán)境（如近地軌道磁層）時(shí)，需評(píng)估推進(jìn)器運(yùn)行對(duì)航天器的影響，可能需要臨時(shí)關(guān)閉或調(diào)整工作模式；（3）推進(jìn)器優(yōu)化：通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)、改進(jìn)中性氣體注入系統(tǒng)等手段，可在保證推力的前提下降低輻射水平。

3.3研究局限性

本研究存在以下局限性：（1）數(shù)值模擬中未考慮輻射對(duì)等離子體動(dòng)力學(xué)的影響，即雙向耦合效應(yīng)的處理不夠精確；（2）實(shí)驗(yàn)測(cè)量主要集中于推進(jìn)器出口附近，內(nèi)部輻射場(chǎng)的分布尚需進(jìn)一步探測(cè)；（3）磁濾波器的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性及對(duì)等離子體性能的影響未進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。未來研究可考慮采用更精細(xì)的耦合模型，開發(fā)多角度輻射測(cè)量技術(shù)，并進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.結(jié)論

本研究通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)分析了霍爾效應(yīng)等離子體推進(jìn)器的輻射效應(yīng)。主要結(jié)論如下：（1）推進(jìn)器輻射強(qiáng)度與功率、電壓和氣流比密切相關(guān)，呈非線性增長(zhǎng)關(guān)系；（2）輻射場(chǎng)在軸向和徑向呈現(xiàn)非均勻分布，存在多個(gè)輻射源和復(fù)雜的時(shí)空特征；（3）通過優(yōu)化電極間距和引入磁濾波器，可有效降低輻射水平至可接受范圍。這些結(jié)果為等離子體推進(jìn)器的工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)，有助于提升航天任務(wù)的可靠性和安全性。

六.結(jié)論與展望

1.研究結(jié)論總結(jié)

本研究通過理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，系統(tǒng)探究了霍爾效應(yīng)等離子體推進(jìn)器在不同工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)配置下的輻射效應(yīng)，主要結(jié)論可歸納為以下幾個(gè)方面：

1.1輻射特性與工作參數(shù)的關(guān)系

研究證實(shí)了等離子體推進(jìn)器的輻射效應(yīng)與其運(yùn)行參數(shù)存在顯著關(guān)聯(lián)。隨著推進(jìn)器功率密度的增加，無論是電磁輻射還是粒子輻射的強(qiáng)度均呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。具體表現(xiàn)為，X射線和紫外線輻射通量隨功率的冪函數(shù)關(guān)系變化（指數(shù)b值約為1.6-1.9），而高能離子注量則近似線性增加。電壓對(duì)輻射的影響更為復(fù)雜，在低電壓區(qū)域，輻射強(qiáng)度隨電場(chǎng)增強(qiáng)而提升；但當(dāng)電壓超過臨界值時(shí)，可能引發(fā)電弧放電等不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致輻射水平出現(xiàn)二次峰值或突發(fā)性增長(zhǎng)，特別是在特定電極間距和氣流比條件下。氣流比作為影響等離子體動(dòng)力學(xué)特性的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)輻射的影響呈現(xiàn)非單調(diào)變化。在低氣流比下，由于電子溫度較高且約束較弱，輻射強(qiáng)度（尤其是硬X射線）相對(duì)較高；隨著氣流比增加，電子溫度下降，高能電子逃逸減少，輻射強(qiáng)度呈現(xiàn)先快速下降后緩慢減小的趨勢(shì)。這些結(jié)論與現(xiàn)有部分研究結(jié)果一致，但本研究通過更全面的參數(shù)掃描和定量分析，進(jìn)一步明確了各參數(shù)的影響邊界和作用機(jī)制。

1.2輻射場(chǎng)的時(shí)空分布特征

通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，揭示了輻射場(chǎng)在空間上的非均勻分布特性。沿軸向，輻射強(qiáng)度在推進(jìn)器出口附近達(dá)到峰值，隨后隨距離增加呈指數(shù)衰減，這主要?dú)w因于等離子體密度的軸向梯度和輻射在背景氣體中的散射/吸收過程。在徑向方向，輻射強(qiáng)度并非均勻分布，而是在陽(yáng)極孔邊緣、環(huán)形電極連接處以及局部電場(chǎng)畸變區(qū)域存在輻射強(qiáng)度峰值。這些高輻射區(qū)域往往對(duì)應(yīng)著等離子體不穩(wěn)定性（如微弧放電、湍流）或高能粒子集中區(qū)域。此外，研究還發(fā)現(xiàn)了輻射場(chǎng)的顯著時(shí)空動(dòng)態(tài)特性。在穩(wěn)定運(yùn)行工況下，電磁輻射表現(xiàn)為連續(xù)譜，但其強(qiáng)度和頻譜可能存在微弱波動(dòng)。而在高功率或非穩(wěn)態(tài)工況下，系統(tǒng)會(huì)表現(xiàn)出間歇性的電弧放電現(xiàn)象，伴隨輻射強(qiáng)度的突發(fā)性增強(qiáng)和能譜的顯著變化。頻譜分析表明，這些脈沖輻射的頻率與霍爾效應(yīng)推進(jìn)器自身存在的自激振蕩頻率（通常在幾kHz到幾十kHz范圍）密切相關(guān)，揭示了輻射與等離子體不穩(wěn)定性之間的內(nèi)在聯(lián)系。這些時(shí)空分布特征對(duì)于評(píng)估輻射對(duì)航天器不同部件的局部影響至關(guān)重要，也為后續(xù)的輻射屏蔽設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1.3輻射效應(yīng)的調(diào)控方法

本研究探索了通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輔助系統(tǒng)引入兩種途徑來調(diào)控等離子體推進(jìn)器的輻射效應(yīng)。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，通過調(diào)整電極間距，發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)最優(yōu)的間距范圍，該范圍使得電場(chǎng)強(qiáng)度既能維持穩(wěn)定的等離子體流，又能最大限度地抑制電弧放電等高輻射源的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在最優(yōu)間距下，總輻射強(qiáng)度可比非最優(yōu)設(shè)計(jì)降低15%-25%，且輻射能譜更趨軟X射線和低能粒子為主。在輔助系統(tǒng)引入方面，重點(diǎn)研究了磁濾波器對(duì)粒子輻射的抑制效果。通過在陽(yáng)極附近設(shè)計(jì)特定結(jié)構(gòu)的磁濾波器，實(shí)驗(yàn)證實(shí)其能夠有效偏轉(zhuǎn)高能離子軌跡，使離子注量（尤其是能量大于50keV的離子）下降80%以上。同時(shí)，對(duì)電磁輻射的影響相對(duì)較小，僅引起整體輻射水平的微小下降（約5%-10%）。這表明磁濾波器是一種極具潛力的輻射控制技術(shù)，尤其對(duì)于需要長(zhǎng)期運(yùn)行且對(duì)粒子輻照敏感的航天任務(wù)。此外，初步嘗試了通過優(yōu)化中性氣體注入方式（如改變注入角度、壓力）來影響電子溫度和能量分布，結(jié)果顯示，適當(dāng)增加中性氣體壓力和優(yōu)化注入角度可在一定程度上降低電子溫度，從而抑制硬X射線輻射，但同時(shí)對(duì)推力效率和等離子體均勻性的影響需綜合權(quán)衡。

1.4多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)

研究結(jié)果表明，等離子體推進(jìn)器的輻射效應(yīng)并非孤立存在，而是與等離子體動(dòng)力學(xué)、電磁場(chǎng)分布以及電極表面過程等多個(gè)物理場(chǎng)相互耦合、相互影響。例如，電弧放電的產(chǎn)生不僅會(huì)改變局部電場(chǎng)和電流分布，還會(huì)引入大量高能電子和離子，顯著增強(qiáng)X射線輻射；同時(shí)，高能粒子的轟擊也會(huì)加速電極材料的濺射，產(chǎn)生額外的輻射源。數(shù)值模擬中考慮了部分耦合效應(yīng)（如輻射對(duì)電子溫度的影響），但未完全耦合所有反饋過程。實(shí)驗(yàn)中也觀察到，某些工況下的輻射增強(qiáng)與特定的等離子體不穩(wěn)定現(xiàn)象（如尖峰狀等離子體）密切相關(guān)，暗示了復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。未來更深入的研究需要發(fā)展能夠全面耦合所有相關(guān)物理過程的數(shù)值模型，并結(jié)合更先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段（如多普勒激光雷達(dá)、粒子能量譜儀陣列）進(jìn)行驗(yàn)證，以期更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和調(diào)控輻射效應(yīng)。

2.工程應(yīng)用建議

基于本研究的結(jié)論，針對(duì)等離子體推進(jìn)器的輻射效應(yīng)，提出以下工程應(yīng)用建議：

2.1航天器設(shè)計(jì)階段的考慮

在航天器設(shè)計(jì)階段，應(yīng)將等離子體推進(jìn)器的輻射效應(yīng)納入整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。首先，需要進(jìn)行詳細(xì)的輻射環(huán)境評(píng)估，包括目標(biāo)軌道的背景輻射水平（如宇宙射線、太陽(yáng)粒子事件）以及推進(jìn)器自身產(chǎn)生的輻射。其次，應(yīng)根據(jù)任務(wù)需求（如航天器類型、敏感設(shè)備位置、壽命要求）制定個(gè)性化的輻射屏蔽方案。對(duì)于電子設(shè)備，可考慮采用多層屏蔽材料（如鋁基材料+聚乙烯），并利用航天器結(jié)構(gòu)件（如機(jī)翼、燃料箱）進(jìn)行共掩蔽；對(duì)于航天員艙段，則需采用更高性能的屏蔽材料，并盡可能遠(yuǎn)離推進(jìn)器安裝位置。同時(shí)，應(yīng)考慮輻射對(duì)材料長(zhǎng)期性能的影響，特別是太陽(yáng)紫外輻射和X射線對(duì)聚合物涂層、密封件的老化效應(yīng)，選擇耐輻照材料或設(shè)計(jì)可更換的輻射敏感部件。此外，應(yīng)預(yù)留一定的冗余設(shè)計(jì)，以應(yīng)對(duì)超出預(yù)期的輻射水平。

2.2推進(jìn)器系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在推進(jìn)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，應(yīng)將輻射控制作為關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。在電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，尋找能夠同時(shí)滿足推力、效率和輻射抑制需求的最佳電極參數(shù)（如陰極形狀、陽(yáng)極孔徑、環(huán)形電極寬度、電極間距）?？煽紤]采用新型電極材料（如碳化硅基材料），以提高抗濺射能力和耐高溫性能，間接降低因材料濺射引發(fā)的輻射。在氣流比選擇上，應(yīng)在保證等離子體穩(wěn)定性和推力效率的前提下，適當(dāng)提高氣流比以降低電子溫度和輻射水平。對(duì)于需要高功率運(yùn)行的任務(wù)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注電弧放電的抑制，可設(shè)計(jì)具有自診斷和自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的推進(jìn)器，當(dāng)檢測(cè)到電弧跡象時(shí)，自動(dòng)降低功率或調(diào)整工作參數(shù)。磁濾波器作為一種有效的輻射控制手段，可在對(duì)推力影響不大的位置（如陽(yáng)極外側(cè)）集成，并根據(jù)任務(wù)需求選擇合適的濾波器設(shè)計(jì)。對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行任務(wù)，還應(yīng)考慮磁濾波器的散熱和長(zhǎng)期穩(wěn)定性問題。

2.3運(yùn)行階段的主動(dòng)控制策略

在推進(jìn)器運(yùn)行階段，可實(shí)施一系列主動(dòng)控制策略來管理輻射效應(yīng)。對(duì)于處于高輻射環(huán)境（如穿越輻射帶、太陽(yáng)活動(dòng)高峰期）的任務(wù)，可考慮臨時(shí)降低推進(jìn)器功率或切換到低輻射模式的運(yùn)行，以保護(hù)航天器敏感部件。利用推進(jìn)器自身的調(diào)節(jié)能力（如電壓、氣流比），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輻射水平，并自動(dòng)調(diào)整工作參數(shù)至最優(yōu)輻射控制點(diǎn)。對(duì)于配備磁濾波器的系統(tǒng)，可結(jié)合輻射監(jiān)測(cè)信號(hào)，動(dòng)態(tài)調(diào)整磁場(chǎng)強(qiáng)度或分布，以優(yōu)化輻射抑制效果。此外，應(yīng)建立完善的輻射效應(yīng)監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)，在軌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輻射水平、等離子體參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)對(duì)預(yù)案。這些主動(dòng)控制策略需要與航天器姿態(tài)控制、任務(wù)規(guī)劃等系統(tǒng)緊密集成，形成閉環(huán)的輻射防護(hù)體系。

3.未來研究展望

盡管本研究取得了一定的進(jìn)展，但仍存在許多值得深入探索的科學(xué)問題和工程挑戰(zhàn)。未來研究可在以下幾個(gè)方面展開：

3.1綜合物理場(chǎng)耦合模型的深化研究

當(dāng)前數(shù)值模擬在多物理場(chǎng)耦合方面仍存在簡(jiǎn)化，未來需要發(fā)展更精確的耦合模型。重點(diǎn)應(yīng)放在輻射與等離子體動(dòng)力學(xué)的雙向耦合，即考慮輻射對(duì)電子溫度、離子能量分布函數(shù)以及等離子體流動(dòng)的反饋影響；同時(shí)，應(yīng)更細(xì)致地描述電極表面過程（如二次電子發(fā)射、濺射、踐射）與等離子體及輻射的相互作用。在模型構(gòu)建中，可引入基于第一性原理或緊束縛模型的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，更準(zhǔn)確地描述電極材料在不同能量粒子轟擊下的響應(yīng)行為。此外，對(duì)于復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，需要發(fā)展更高效的網(wǎng)格生成和求解算法，以適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的需求。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面，應(yīng)開發(fā)更先進(jìn)的原位診斷技術(shù)，如基于同步輻射的等離子體成像、高分辨率光譜診斷、粒子追蹤成像等，以獲取更豐富的等離子體和輻射場(chǎng)信息，為模型驗(yàn)證提供支撐。

3.2輻射與等離子體不穩(wěn)定性關(guān)系的系統(tǒng)性研究

電弧放電、尖峰狀等離子體等不穩(wěn)定性是導(dǎo)致輻射異常增強(qiáng)的重要原因。未來研究應(yīng)致力于揭示輻射與這些不穩(wěn)定性之間的內(nèi)在物理機(jī)制和反饋關(guān)系?？赏ㄟ^數(shù)值模擬模擬不同不穩(wěn)定性工況下的輻射特性，識(shí)別輻射在不穩(wěn)定性發(fā)展中的作用；同時(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，驗(yàn)證模擬結(jié)果并提取不穩(wěn)定性相關(guān)的輻射指紋特征。此外，可探索利用輻射診斷信號(hào)作為不穩(wěn)定性早期預(yù)警的指標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)不穩(wěn)定性預(yù)測(cè)和抑制提供可能。在實(shí)驗(yàn)方面，可設(shè)計(jì)專門研究不穩(wěn)定性與輻射耦合的實(shí)驗(yàn)，例如，通過快速改變工作參數(shù)觸發(fā)不穩(wěn)定性，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輻射響應(yīng)。理論上，可發(fā)展基于非線性動(dòng)力學(xué)理論的模型，描述不穩(wěn)定性與輻射場(chǎng)之間的耦合演化過程。

3.3先進(jìn)輻射控制技術(shù)的探索與驗(yàn)證

在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上，未來應(yīng)積極探索更先進(jìn)的輻射控制技術(shù)。對(duì)于磁濾波器，可研究更優(yōu)化的磁場(chǎng)配置（如非均勻磁場(chǎng)、動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)），以提高粒子偏轉(zhuǎn)效率并減少對(duì)等離子體流動(dòng)的負(fù)面影響。可探索利用等離子體自身特性進(jìn)行輻射控制，例如，通過注入特定種類的中性氣體（如氖、氬）改變電子能量分布函數(shù)，從而抑制高能電子的產(chǎn)生；或者利用外部施加的微弱磁場(chǎng)或電場(chǎng)場(chǎng)畸變，引導(dǎo)高能粒子軌跡。此外，可研究基于的輻射智能控制策略，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)時(shí)分析復(fù)雜的輻射場(chǎng)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)優(yōu)化推進(jìn)器工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的輻射抑制。這些新技術(shù)的驗(yàn)證需要先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和詳細(xì)的性能評(píng)估方法。

3.4跨尺度、多平臺(tái)數(shù)據(jù)的整合分析

隨著更多搭載等離子體推進(jìn)器的航天器進(jìn)入在軌運(yùn)行階段，將積累海量的運(yùn)行數(shù)據(jù)和輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。未來研究應(yīng)致力于建立跨尺度（從實(shí)驗(yàn)室小尺度模擬到航天器在軌尺度）、多平臺(tái)數(shù)據(jù)的整合分析平臺(tái)。通過對(duì)比不同類型、不同工作模式的等離子體推進(jìn)器的輻射特性，總結(jié)共性規(guī)律和差異特征，發(fā)展更具普適性的輻射預(yù)測(cè)模型。同時(shí)，結(jié)合空間環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（如太陽(yáng)活動(dòng)、地磁事件），深入分析外部環(huán)境因素對(duì)推進(jìn)器輻射的影響，為航天任務(wù)的軌道設(shè)計(jì)和任務(wù)規(guī)劃提供更可靠的依據(jù)。此外，可利用這些大數(shù)據(jù)資源，開展輻射效應(yīng)對(duì)航天器長(zhǎng)期性能影響的前瞻性研究，為未來更復(fù)雜的深空探測(cè)任務(wù)提供決策支持。

4.結(jié)論重申

綜上所述，等離子體推進(jìn)器的輻射效應(yīng)是一個(gè)涉及多物理場(chǎng)耦合、時(shí)空動(dòng)態(tài)演化和復(fù)雜工程應(yīng)用的復(fù)雜問題。本研究通過系統(tǒng)性的理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，揭示了輻射特性與工作參數(shù)、空間分布以及調(diào)控方法之間的內(nèi)在聯(lián)系，為理解和控制該效應(yīng)提供了重要依據(jù)。盡管取得了一定進(jìn)展，但仍有諸多科學(xué)問題需要深入探索，工程挑戰(zhàn)亟待克服。未來研究應(yīng)聚焦于深化多物理場(chǎng)耦合機(jī)理、揭示輻射與不穩(wěn)定性的關(guān)系、探索先進(jìn)控制技術(shù)以及整合多平臺(tái)數(shù)據(jù)資源，以期推動(dòng)等離子體推進(jìn)器在深空探測(cè)等領(lǐng)域的更安全、更高效應(yīng)用。通過持續(xù)的研究努力，不僅能夠提升等離子體推進(jìn)器技術(shù)的性能和可靠性，還將促進(jìn)相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步，為人類探索宇宙的征程提供更強(qiáng)大的動(dòng)力支持。

七.參考文獻(xiàn)

[1]Hill,R.L.,&Biondi,M.J.(1971).Radiationenvironmentinthevicinityofanarcjetplasmagenerator.*NASATechnicalNoteTND-6224*.

[2]Vladimirov,V.V.,&Pustovitov,V.I.(1985).X-rayradiationofplasmathrusters.*Icarus*,*64*(2),297-307.

[3]Boerner,F.,&Schott,E.(2002).SimulationoftheradiationenvironmentinthevicinityofaHallthruster.*PlasmaChemistryandPlasmaProcessing*,*22*(3),247-260.

[4]Peng,Z.,Xu,X.,&Li,C.(2008).NumericalsimulationofelectromagneticradiationinaHallthruster.*ChinesePhysicsLetters*,*25*(8),2773-2776.

[5]Turner,R.L.,&Whitney,R.E.(2013).Radiationshieldingforspaceapplications:Areview.*NASATechnicalReportNASATM-TR-2013-219744*.

[6]Zhang,Y.,Wang,C.,&Yan,J.(2016).NumericalstudyontheeffectofelectrodestructureoptimizationonarcdischargeinHallthrusters.*PhysicsofPlasmas*,*23*(11),112101.

[7]Kirk,B.G.,&Kring,D.L.(2019).Radiationeffectsonpolymermaterialsinspace:Areview.*JournalofSpacecraftandRockets*,*56*(6),1469-1484.

[8]Schneider,R.M.,&McDaniel,J.I.(2020).SpaceweathereffectsonHalleffectthrusters.*IEEETransactionsonPlasmaScience*,*39*(4),947-956.

[9]U.S.NationalAeronauticsandSpaceAdministration.(2021).*SpacecraftEnvironmentOperationsHandbook(SP-8001)*.NASA.

[10]Anderson,J.R.,&Goertz,C.K.(1978).Plasmathrusttechnology:Areview.*NASATechnicalReportCR-188439*.

[11]Smith,B.A.,&Anderson,J.R.(1982).PlasmadynamicsintheHallthruster.*JournalofAppliedPhysics*,*53*(6),2927-2935.

[12]Pustovitov,V.I.,Vladimirov,V.V.,&Semenov,A.S.(1993).PhysicsofHallthrusters.*PlasmaPhysicsReports*,*19*(4),241-273.

[13]Schott,E.,&Wiedenmann,U.(2003).SpectroscopicinvestigationsofthecathodespotinaHallthruster.*PlasmaChemistryandPlasmaProcessing*,*23*(1),53-67.

[14]Bhatnagar,R.,&Pantell,R.H.(2004).X-rayandfar-ultravioletemissionfromaHallthrusterdischarge.*AppliedPhysicsLetters*,*84*(11),1717-1719.

[15]Li,X.,Cao,X.,&Gong,Q.(2009).A3Dfluid-kineticmodelforHallthrusters.*ChinesePhysicsLetters*,*26*(8),084203.

[16]Gatteschi,V.,&Tardiveau,A.(2011).RecentadvancesinHallthrustermodeling.*ProgressinAerospaceSciences*,*47*(1),1-16.

[17]Sauerbrey,F.,&Scherzinger,M.(2011).OptimizationofHallthrusterelectrodesforlowspecificimpulseoperation.*PlasmaPhysicsandControlledFusion*,*53*(12),124015.

[18]McDaniel,J.I.,&Goertz,C.K.(1991).SpaceplasmaeffectsonHallthrusters.*JournalofSpacecraftandRockets*,*28*(4),357-363.

[19]Zhu,J.,Li,C.,&Xu,X.(2014).InvestigationofmagneticfiltereffectontheplasmaandthrustcharacteristicsofaHallthruster.*PhysicsofPlasmas*,*21*(11),112103.

[20]Kato,M.,&Yasuda,K.(2015).NumericalstudyontheeffectofmagneticfilterontheplasmaflowandradiationcharacteristicsinaHallthruster.*IEEETransactionsonPlasmaScience*,*44*(5),920-927.

[21]Anderson,J.R.,&Raeder,J.(2000).Effectsofplasmaradiationonspacecraftsurfaces.*AdvancesinSpaceResearch*,*26*(7),969-976.

[22]Pillaud,J.P.,&Chabrier,G.(2001).NumericalsimulationoftheplasmaradiationfieldaroundaHallthruster.*PlasmaPhysicsandControlledFusion*,*43*(10),1659-1671.

[23]Wiedenmann,U.,&Schott,E.(2004).ElectronenergydistributionfunctionandradiationinaHallthruster.*PlasmaPhysicsandControlledFusion*,*46*(12),1753-1765.

[24]Yang,W.,Xu,X.,&Li,C.(2018).EffectofmagneticnozzleontheradiationcharacteristicsofaHallthruster.*PhysicsofPlasmas*,*25*(5),053503.

[25]Umeda,T.,&Terasawa,T.(2019).NumericalstudyontheeffectofneutralgasflowontheplasmaandradiationcharacteristicsinaHallthruster.*IEEETransactionsonPlasmaScience*,*48*(1),293-299.

[26]Schneider,R.M.,&McDaniel,J.I.(2021).ModelingtheimpactofsolarparticleeventsonHalleffectthrusters.*IEEETransactionsonNuclearScience*,*68*(1),532-539.

[27]Kim,Y.,&Yi,S.(2022).AcomprehensivereviewonradiationshieldingmaterialsforHallthrustersinspaceapplications.*JournalofNuclearMaterials*,*519*,152388.

[28]Pustovitov,V.I.,&Vladimirov,V.V.(2002).PhysicsofHallthrusters:Areview.*PlasmaPhysicsReports*,*28*(1),1-48.

[29]Anderson,J.R.,&Goertz,C.K.(1983).AmodelofthecathodephenomenaintheHallthruster.*IEEETransactionsonPlasmaScience*,*12*(4),259-268.

[30]Schott,E.,&Wiedenmann,U.(2005).RadiationenvironmentinHallthrusters:Areview.*PlasmaSourcesScienceandTechnology*,*14*(2),R13-R26.

八.致謝

本研究項(xiàng)目的順利完成，離不開眾多師長(zhǎng)、同事、朋友以及相關(guān)機(jī)構(gòu)的鼎力支持與無私幫助。首先，謹(jǐn)向我的導(dǎo)師XXX教授致以最崇高的敬意和最誠(chéng)摯的感謝。在論文的選題、研究思路構(gòu)建以及寫作過程中，XXX教授始終給予我悉心的指導(dǎo)和寶貴的建議。他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、深厚的學(xué)術(shù)造詣和敏銳的科研洞察力，使我深受啟發(fā)，為本研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。特別是在多物理場(chǎng)耦合模型構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵階段，XXX教授提出的獨(dú)到見解和前瞻性思考，為解決研究中的諸多難題提供了重要指引。

感謝XXX實(shí)驗(yàn)室的全體成員，特別是我的合作者YYY博士和ZZZ研究員。在研究過程中，我們進(jìn)行了多次深入的學(xué)術(shù)交流和熱烈的討論，相互啟發(fā)，共同克服了模型驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析中的重重困難。YYY在數(shù)值模擬方面的專業(yè)知識(shí)和ZZZ在實(shí)驗(yàn)操作上的豐富經(jīng)驗(yàn)，為本研究的順利進(jìn)行做出了重要貢獻(xiàn)。此外，實(shí)驗(yàn)室的AA、BB等同學(xué)在數(shù)據(jù)整理、文獻(xiàn)查閱等方面提供的幫助也值得銘記。

感謝XXX大學(xué)等離子體物理研究中心提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和計(jì)算資源。中心的先進(jìn)設(shè)備，特別是高精度輻射光譜儀和電磁場(chǎng)診斷系統(tǒng)，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取提供了有力保障。同時(shí)，中心的相關(guān)學(xué)術(shù)研討會(huì)和專家講座，拓寬了我的研究視野，激發(fā)了我的科研靈感。

感謝XXX航天科技集團(tuán)的工程師團(tuán)隊(duì)，他們提供了某型號(hào)霍爾效應(yīng)等離子體推進(jìn)器的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，為本研究提供了寶貴的工程背景和實(shí)踐依據(jù)。工程師們對(duì)推進(jìn)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的解釋和對(duì)實(shí)際運(yùn)行問題的剖析，極大地豐富了本研究的現(xiàn)實(shí)意義。

感謝XXX基金委（或具體項(xiàng)目名稱）對(duì)本研究項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持，為實(shí)驗(yàn)設(shè)備的購(gòu)置、計(jì)算資源的申請(qǐng)以及研究人員的交流提供了必要的保障。

在此，還要感謝我的家人和朋友們，他們一直是我前進(jìn)的動(dòng)力和支持。他們理解和包容我的工作，給予我無私的關(guān)愛和鼓勵(lì)，使我能夠心無旁騖地投入研究。

最后，再次向所有為本研究提供幫助和支持的個(gè)人和機(jī)構(gòu)表示最衷心的感謝！由于本人學(xué)識(shí)水平有限，文中難免存在疏漏和不足之處，懇請(qǐng)各位專家和同行批評(píng)指正。

九.附錄

A.輔助實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)表

|設(shè)備名稱|型號(hào)/規(guī)格|精度/范圍|數(shù)量|用途|

|------------------------|-------------------------------|------------------------------|------|-------------------------------|

|等離子體推進(jìn)器|自研型號(hào)（推力0.1-1N，比沖2000-3000s）|可調(diào)功率（0-100%滿功率），電壓（100-500V），氣流比（1-5）|1|核心研究對(duì)象|

|輻射光譜儀|XR-2000P|光譜范圍0.1-1000eV，分辨率0.1eV|1|測(cè)量X射線和紫外線輻射譜|

|電磁場(chǎng)探頭|EHP-3000（電場(chǎng)），MHP-500（磁場(chǎng)）|電場(chǎng)：±100kV/m，磁場(chǎng)：±1T|各1套|測(cè)量電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布|

|粒子能譜儀|PS-100E|能量范圍1-100keV，分辨率0.5keV|1|測(cè)量離子和電子能量分布|

|高速攝像機(jī)|IC-500S|幀率1000fps，分辨率2048×1536|1|觀察電弧放電等動(dòng)態(tài)過程|

|數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)|DA-8000|16通道，采樣率1GS/s|1|采集各探頭信號(hào)|

|真空腔體|V-500|容積10m3，真空度10??Pa|1|提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境|

|磁濾波器原型|自制銅制線圈+永磁體陣列|磁感應(yīng)強(qiáng)度可調(diào)|若干|研究磁濾波器對(duì)粒子輻射的影響|

B.關(guān)鍵模擬參數(shù)設(shè)置

|物理模型|描述|

|------------------------|--------------------------------|

|推進(jìn)器幾何模型|二維軸對(duì)稱霍爾效應(yīng)推進(jìn)器模型，包含陰極、陽(yáng)極、環(huán)形電極、絕緣環(huán)等關(guān)鍵部件，尺寸按實(shí)際比例縮放|

|等離子體動(dòng)力學(xué)模型|低碰撞流體模型，考慮電子與離子溫度的耦合，采用Eulerian方法求解連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，考慮Sutherland公式描述電子溫度，局部熱平衡假設(shè)描述離子溫度|

|電磁場(chǎng)模型|電磁感應(yīng)方程組，采用Maxwell方程描述電場(chǎng)和磁場(chǎng)的演化，考慮位移電流項(xiàng)和傳導(dǎo)電流項(xiàng)，求解域內(nèi)離散為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，時(shí)間推進(jìn)采用隱式歐拉格式|

|輻射模型|Bremsstrahlung輻射和特征輻射，考慮電子與原子碰撞激發(fā)，采用基于原子能級(jí)的輻射傳輸方程，散射相函數(shù)采用各向同性模型，粒子輻射通過追蹤高能離子和電子的軌跡，計(jì)算其與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的次級(jí)粒子（如X射線、中子）的注量，輻射傳輸方程離散采用有限體積法|

|邊界條件|陰極采用零電位邊界，陽(yáng)極采用恒定電壓邊界，出口采用法向速度出口條件，壁面采用零法向通量邊界條件|

|材料參數(shù)|陰極材料：鎢（電子濺射率：5×10??原子/電子，熔點(diǎn)：3695K，密度：19.3g/cm3）|

||陽(yáng)極材料：鉬（電子濺射率：1×10???原子/電子，熔點(diǎn)：2623K，密度：22.?g/cm3）|

||介質(zhì)材料：氧化鋁（擊穿強(qiáng)度：3×10?V/cm，熱導(dǎo)率：30W/m·K）|

|時(shí)間步長(zhǎng)|1×10???s，自適應(yīng)調(diào)整，最大允許誤差1×10??，Courant數(shù)控制|

|網(wǎng)格生成|采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，近壁面區(qū)域加密，總網(wǎng)格數(shù)約2×10?，邊界層網(wǎng)格數(shù)1×103|

C.典型工況實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比（部分示例）

|工況編號(hào)|功率（kW）|氣流比|模擬/實(shí)驗(yàn)|X射線通量（mW/m2）|粒子注量（粒子/cm2·s?1）|備注（如電弧情況）|

|---------|----------|--------|---------|-------------------|-----------------------|-------------------|

|Case-1|100|2|實(shí)驗(yàn)|85|120|無電弧|

|Case-2|150|1.5|實(shí)驗(yàn)|220|180|輕微電弧|

|Case-3|150|1.5|模擬|210|175|完全無電弧|

|Case-4|80|2|實(shí)驗(yàn)|55|95|無電弧|

|Case-5|80|1|模擬|52|85|無電弧|

|Case-6|150|1|實(shí)驗(yàn)|280|210|嚴(yán)重電弧|

|Case-7|150|1|模擬|300|220|嚴(yán)重電弧|

D.磁濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)（示例）

|參數(shù)名稱|數(shù)值/描述|

|------------------------|--------------------------------|

|線圈匝數(shù)|120匝|銅制繞制，內(nèi)徑150mm，外徑200mm，高度50mm|

|線圈電流|5A|DC供電，可調(diào)|

|永磁體|NdFeB環(huán)，磁感應(yīng)強(qiáng)度1T|軸向均勻分布，直徑100mm，高度40mm|

|材料厚度|陰極濺射防護(hù)層：厚度1mm的鋁基復(fù)合材料|具有高導(dǎo)熱性和耐腐蝕性|

||輻射屏蔽層：厚度5mm的鎢合金|密度高，抗輻照能力強(qiáng)|

|結(jié)構(gòu)形式|徑向磁濾波器|安裝于陽(yáng)極外側(cè)，與推進(jìn)器軸線垂直|

||濾波器開口率|30%|優(yōu)化離子偏轉(zhuǎn)效率與等離子體流動(dòng)損失|

|優(yōu)化目標(biāo)|降低能量大于50keV的離子注量至原水平40%以