Collisionless ion modeling in Hall thrusters: analytical axial velocity distribution function and heat flux closures
分析了无碰撞霍尔推力器放电离子轴向速度分布函数的成因。在离子产生单能和稳态的简化假设下，应用Tonks-Langmuir理论，从Vlasov方程得到了VDF的解析形式。从Vlasov方程推导出等效的一维非定常各向异性矩方程组，并制定了简单的唯象封闭，假设离子VDF的多项式形状。的分析结果和各向异性矩方程进行比较碰撞PIC模拟，采用零热通量（欧拉方程）或多项式VDF封闭的热通量。然后将分析离子VDF及其矩与实验测量值进行比较。
2020-06-09 physics.plasm-ph
Cross-field chaotic transport of electrons by ExB electron drift instability in Hall thruster
提出了一个模型计算来表征霍尔推力器几何结构中电子的异常跨场输运。的异常性质的运输是由于从它们的相互作用所产生的电子与波动的不稳定的静电场的电子回旋漂移不稳定性，这是在这些设备中特有的混沌动力学。电子从这些背景波中获得能量，导致它们的温度沿垂直方向$T_\perp / T_\parallel \sim 4$显著增加，以及沿推进器轴向方向增强的交叉场电子输运。结果表明，波粒相互作用诱导的电子沿轴向的平均速度，这是相同的数量级，在实验观察。
2019-11-06 physics.plasm-ph
Plasma Diagnostic and Performance of a Permanent Magnet Hall Thruster
电推进是目前深空长时间任务主推进和地球同步卫星姿态控制的成功方法。封闭漂移等离子体推力器，所谓的霍尔推力器或SPT（静止等离子体推力器）最初是在苏联（古苏联）设想的，现在它是由法国，美国，以色列，俄罗斯联邦和巴西等几个国家的航天局，空间研究机构和工业开发的。在这项工作中，我们展示了等离子体特性和性能的霍尔推力器设计的创新概念，它使用一个阵列的永磁体，而不是一个电磁铁，产生径向磁场内的圆柱形等离子体漂移通道。在这个新概念中，我们希望在功率消耗范围内开发一种霍尔推进器，该推进器将扩展到中小型卫星。等离子体密度和温度的空间轮廓内和外的推力器通道将显示。空间等离子体电位，离子温度测量的基础上多普勒展宽的谱线和离子能量测量显示为不同的等离子体生产制度。实验测得的推进和功耗也将显示和计算模拟模型使用相同的等离子体实验条件进行比较。在这两种情况下，结果都显示出40mN至80mN之间的推力范围，这接近于使用少30%的电力的商用SPT 100获得的推力水平。
2004-10-20 physics.plasm-ph
Wall Ion Loss Reduction by Acceleration Zone Shifting in Anode-Layer Hall Thruster
在这项研究中，壁离子损失和侵蚀率的评估在瑞金推力器。这项工作的新颖之处在于对测量的保护环（金属通道壁）电流进行了详细分析，从而能够快速评估壁离子损失和侵蚀速率。保护环电流的电流-电压特性表明保护环上的鞘层处于离子饱和状态，并且保护环电流可以用作壁离子通量指示器。实验结果表明，在RAIJIN推力器的磁结构中，加速区移动可以显著降低壁离子损失。
2022-02-07 physics.plasm-ph
3D PIC Simulations on Hall Thruster Electron Drift Instability: Influence of Magnetic Field on Electron Transport
School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学能源科学与工程学院）
本研究通过三维PIC模拟探讨霍尔推进器中磁场对电子输运的影响，揭示了电子漂移不稳定性与磁场配置的关系，并验证了有效电子迁移率与输运剖面的准确性。
2025-12-06 physics.plasm-ph
Two-dimensional Modeling of the Hall Thruster Discharge with Non-uniform Propellant Supply in Azimuth
采用二维数值模拟方法研究了推进剂方位非均匀供给对霍尔推力器放电中交叉场电子输运增强的影响。霍尔推力器的工作与方位不均匀的推进剂供应是一个很好的测试案例，以了解方位等离子体特性分布的轴向电子输运的影响。在二维磁化电子流体模型的基础上，结合反常电子迁移率的经验模型，建立了粒子-流体混合模型。计算结果表明，在推进剂不均匀供给的情况下，会产生方位向的电场。在下游羽流区，离子数密度和空间势之间存在方位相移。由于这种方位异相和方位电场，可以增强轴向方向上的交叉场电子输运。
2018-05-16 physics.plasm-ph
Effect of Anode Dielectric Coating on Hall Thruster Operation
在霍尔推力器的近阳极区域中观察到的一个有趣的现象是，在去除霍尔推力器操作的正常过程期间在阳极表面上产生的电介质涂层后，阳极下降从正变为负。阳极跌落可能会影响推力器的寿命和加速效率。阳极涂层上的阳极下降的效果进行了实验研究，使用偏置和发射探头。放电电流振荡的测量表明，推力器的操作是更稳定的涂层阳极。
2003-10-16 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Two-dimensional hybrid model of gradient drift instability and enhanced electron transport in a Hall thruster
建立了一个轴向-方位二维霍尔推力器放电模型，用于分析梯度漂移不稳定性（GDI）和GDI单独引起的跨场电子输运增强。对部分电离等离子体采用粒子-流体混合模型，其中假设准中性等离子体中存在无惯性电子流体。为了避免数值不稳定性，准确分析GDI的物理性质，提出了一种无振荡的电子流体模型势场求解方法。对一台1 kW级阳极层式霍尔推力器进行了数值模拟，给出了等离子体不稳定时的流场。在加速区和羽流区观察到了具有涡状结构的等离子体不稳定性。所产生的等离子体不稳定性增强了在通道出口周围的轴向方向和在羽流区域中的交叉场电子输运。证实了电子输运增强效应对网格收敛的影响，表明跨场电子输运增强是基于等离子体不稳定性的。此外，模拟结果与线性微扰分析的比较表明，模拟的等离子体不稳定性反映了GDI理论。结果表明，该混合模型可用于GDI的分析，GDI可增强霍尔推力器的跨场电子输运。
2021-06-01 physics.plasm-ph
On Scaling of Hall-Effect Thrusters Using Neural Nets
霍尔效应推力器（HHHT）广泛用于现代近地航天器的推进，并且对于未来的深空任务至关重要。障碍物的建模方法正在迅速发展。然而，这种方法还不够精确，不能可靠地预测新设计的推进器的参数，主要是由于HET等离子体模拟的巨大计算成本。另一种方法是使用基于可用实验数据的缩放技术。本文提出了一种使用神经网络和其他现代机器学习方法来扩展HET的方法。新的缩放模型建立了从广泛的数据库中的信息HET参数从已发表的论文中收集。新的缩放模型的预测是有效的数据库所涵盖的操作参数域。在设计过程中，该模型可以帮助HET开发人员评估新设计的推力器的性能。在实验研究阶段，该模型可以用来比较所研究的推力器所获得的特性与其他开发人员所获得的水平。与国家的最先进的HET缩放模型的比较。
2022-10-25 physics.plasm-ph
3D PIC Study of Magnetic Field Effects on Hall Thruster Electron Drift Instability
School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学能源科学与工程学院）
通过三维粒子模拟（PIC）结合真实磁场和蒙特卡洛碰撞模型，首次系统研究了磁场空间构型和强度对霍尔推力器中电子漂移不稳定性的影响。
2025-04-19 physics.plasm-ph
Sheath Analysis of Conducting Channel Walls in Anode-Layer Hall Thruster with Acceleration Zone Shifted Downstream
本研究针对阳极层霍尔推力器RAIJIN66的通道壁鞘层，结合二维混合模拟与一维鞘层模型开展研究，得到了通道出口的离子壁面电流密度与鞘层厚度，并明确了电流密度降低对鞘层覆盖范围的影响规律。
2023-12-15 physics.plasm-ph
The possibility of a Hall thruster operation in the absence of the anode sheath
本文提出了一种确定陶瓷通道霍尔推力器准一维稳态模型边界条件的方法。对于一个给定的质量流率和磁场轮廓的施加条件的一个平滑的声波过渡唯一地确定在阳极等离子体密度。放电电压决定了阳极鞘层的结构，从而决定了阳极处的电子和离子速度。这些参数似乎足以构造具有给定温度分布的解。结果表明，通过选择合适的电子迁移率和温度分布，可以实现模拟和实验结果之间的良好相关性。从理论上研究了在放电电压、中性粒子进入速度和通道长度等较宽输入参数范围内电极鞘层的结构，并讨论了实现无鞘层工作机制的可能性。
2002-05-11 physics.plasm-ph
Evolution of electron cross-field transport induced by an equilibrium azimuthal electric field in an $\mathrm{E}\times\mathrm{B}$ Hall thruster discharge under an azimuthally inhomogeneous neutral supply
霍尔推力器中电子在方位电场作用下的跨场输运具有$1/B$标度的迁移率。本研究探讨影响霍尔推力器的不同区域，如电离，加速和羽流区域的这种运输的参数。主要研究了由方位非均匀中性点供电引起的非零平衡方位电场。等离子体结构的快速傅里叶变换分析表明，方位等离子体结构的波数$k$增加从$k=2$，这是输入条件，$k=4$在羽流区域，和方位电场引起的总轴向通量主要是从占主导地位的傅里叶分量的结构引起的。形成等离子体电势和密度之间的方位角相位关系以使羽流区域处的轴向电子通量最大化，并且随着电子朝向加速区域流动而开始与其他等离子体性质一起变化。提取了有效轴向流度系数的空间演化规律，并讨论了其区域特征。
2021-10-05 physics.plasm-ph
Diagnostic Setup for Characterization of Near-Anode Processes in Hall Thrusters
研制了霍尔电流等离子体推力器近阳极过程的诊断装置，该装置由偏置和发射静电探针、高精度定位系统和低噪声电子电路组成。实验结果表明，径向探针插入不会引起扰动的放电，因此可以用于精确的近阳极测量。
2003-10-16 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Near-Wall Pathways of Anomalous Electron Transport in Hall Thrusters Revealed by 3D PIC Simulations
School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学能源学院）
通过三维PIC模拟揭示霍尔推杆中异常电子输运的近壁路径，研究其空间分布和输运机制，展示三维模拟在揭示异常输运中的独特作用。
2026-03-16 physics.plasm-ph
Rotating spoke instabilities in a wall-less Hall thruster: Simulations
采用三维PIC MCC程序对ISCT 200推力器无壁构型下的低频旋转等离子体不稳定性（轮辐）进行了数值模拟。在模拟中，观察到m = 1的轮辐在ExB方向上以6.5 km/s的速度旋转。轮辐中的旋转电子密度结构伴随着中性气体的强烈耗尽区域，这清楚地表明轮辐不稳定性具有电离性质，类似于轴向呼吸模式振荡。在模拟中，通过轮辐芯的电子交叉场传输由高频（4-10 MHz）、短尺度（3 mm）电场振荡中的扩散引起。这些短尺度振荡在推进器放电中起着至关重要的作用，因为超过70%的阳极电子电流来自辐条核心。电流的其余部分源自轮辐前部，其中电子向阳极的交叉场传输是由于轮辐宏观方位角电场中的ExB漂移。
2019-03-09 physics.plasm-ph
Vector resolved energy fluxes and collisional energy losses in magnetic nozzle radiofrequency plasma thrusters
为了提高等离子体推力器的效率，研究了磁喷管射频等离子体推力器的能量损失。模拟计算粒子能量通量的矢量分辨率，包括等离子体能量损失的电介质壁，等离子体束能量，和发散的等离子体能量，除了碰撞能量损失。得到了推力器内的能量损失分布以及能量损失与输入功率的比值。模拟结果表明，随着磁场强度的增加，等离子体能量损失得到了明显的抑制，离子束能量反而增加。此外，发散离子能量和碰撞能量损失分别约占4-12%和30- 40%，与磁场强度无关。
2021-09-18 physics.plasm-ph
The effect of alternative propellants on the electron drift instability in Hall-effect thrusters: Insight from 2D Particle-In-Cell simulations
随着进入太空变得更加经济实惠，使用氙操作的霍尔效应推进器（HHHON）是广泛的空间任务中最常用的电推进技术之一，包括低地球轨道中的阻力补偿、位置保持和轨道插入。尽管在氙基推进剂中对反常电子输运、电子漂移不稳定性（EDI）和次级电子发射（SEE）进行了实验和数值研究，但替代推进剂的影响仍然很差。在这项工作中，一个二维的粒子在细胞/蒙特卡罗碰撞（PIC/MCC）代码被用来模拟（r -- $θ$）平面的HET分别与四种不同的惰性气体：氙，氪，氩，氦。电子诱导次级电子发射（SEE）和电介质壁模型的实施，以研究推进剂的选择和径向推力器壁之间的耦合。对于所有的条件和研究的推进剂，EDI和增强的电子交叉场传输观察。的不稳定性的频率，以及电子迁移率，从最近开发的动力学理论的解析表达式进行比较。证明了这一理论，它表明，虽然EDI的频率取决于推进剂的质量，电子迁移率似乎是几乎独立的推进剂的选择。
2018-04-17 physics.plasm-ph
Time-evolution of the ion velocity distribution function in the discharge of a Hall effect thruster
在5 kW级PPS $\circledR$ X 000霍尔推力器低频放电电流振荡（$\sim$ ~14 kHz）过程中，记录了$^+$离子轴向速度分布函数（VDF）的时间特性。的离子轴向速度分量的时间的演变监测的激光诱导荧光诊断工具的时间分辨率为100纳秒。由于在如此短的时间内荧光光子的数量非常低，因此使用自制的脉冲计数锁定系统来执行背景光子和荧光光子之间的实时区分。在时间上的离子VDF的演变，观察到在三个位置沿推力器通道轴后，快速关闭的推力器电源。阳极放电电流在5 $μ$ s期间以2 kHz关闭，与电流振荡周期没有任何同步。这种方法允许检查的时间行为的离子VDF在放电的衰减和点火过程中，以及在强制和自然等离子体振荡。测量结果表明，在强迫和自然的情况下，在一个频率接近电流振荡频率的时间周期性变化的分布函数的轴向分量的$^+$离子。离子密度和平均速度振荡，而速度色散保持不变，这表明电离层和加速层具有相同的动力学。最后，随着时间的推移的电场的变化是第一次实验证明在交叉场放电。
2009-02-09 physics.plasm-ph
Likelihood topology and applicability limits of spatial anti-aliasing inversion for folded electron drift instability dispersion in Hall thrusters
Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学）
本文通过数值求解线性动理学EDI色散关系，评估了基于双探针合成信号的最大似然空间反混叠反演方法，在典型霍尔推力器放电参数下，该方法突破了约1 krad/m的常规奈奎斯特波数极限，将可访问范围扩展至约22 krad/m，并恢复了第一至第五阶EDI分支的似然脊，同时参数扫描表明统计实现次数L主要抑制伪混叠峰，频率分辨率Δf主要决定折叠极值附近的局部分支分离。
2026-06-02 physics.plasm-ph
Reduced-order particle-in-cell simulations of a high-power magnetically shielded Hall thruster
本文采用新型降阶PIC格式对20 kW磁屏蔽霍尔推力器进行轴向-方位角和径向-方位角模拟，在无特设电子迁移率模型下自洽解析650 μs放电演化，并以70%至80%精度逼近实验性能，同时揭示了出口附近长波长低频波模对电子输运的显著影响。
2023-04-13 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Impact of Azimuthal Magnetic Field Inhomogeneity on Hall Thruster high-frequency azimuthal instability via 2D radial-azimuthal PIC simulations
本研究通过二维径向-方位角PIC模拟，发现方位角磁场不均匀性通过调制漂移速度和展宽波数谱双重机制影响霍尔推力器ECDI，不均匀性达10%时饱和强度降13.4%、电子迁移率降15.7%。
2025-04-18 physics.plasm-ph
Test Particle Study of EDI Driven Electron Transport in a Hall Thruster Using PIC Derived Electric Fields
School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学能源科学与工程学院）
利用从电子漂移不稳定性（EDI）分辨的三维粒子模拟中导出的电场，在测试粒子层面研究霍尔推进器中的电子输运，发现全PIC场产生明显的涨落驱动输运，而POD分析表明需要约20个模态才能恢复主要输运特征。
2026-06-23 physics.plasm-ph
A Hybrid Simulation Code for Hall Thrusters and its Sensitivity to Numerical Parameters
Lab of Plasma Propulsion, Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学等离子体推进实验室）；Key Laboratory of Advanced Aerospace Propulsion Technology, Ministry of Industry and Information Technology（工业和信息化部航空航天推进技术重点实验室）；Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aerodynamics of High Speed and High Reynolds Number, AVIC Aerodynamics Research Institute（中国航空工业集团公司空气动力研究院高速高雷诺数气动技术航空科技重点实验室）；China Jiuyuan Hi-Tech Equipment Co., Ltd.（中国九元高科技设备有限公司）；CAEP Software Center for High Performance Numerical Simulation（中国工程物理研究院高性能数值模拟软件中心）；School of Mechanical and Power Engineering, Harbin University of Science and Technology（哈尔滨科技大学机械与动力工程学院）
本研究开发了名为HYSCH的混合模拟代码，分析其对数值参数的敏感性，证实解耦公式可实现更高效的资源分配，为霍尔推力器设计优化提供支撑。
2026-09-03 physics.plasm-ph
Dimensionality reduction of Poisson's equation with application to particle-in-cell simulations of Hall thrusters
在这篇文章中，我们介绍了一种新的降维制定的泊松方程的Vlasov-Poisson系统，产生一个降阶粒子在细胞计划。该方案允许显着减少霍尔推力器的自洽动力学模拟的计算成本。降维方法的制定，连同其验证一般泊松问题，提出。此外，我们展示了几个“准二维”轴向方位角模拟的结果，我们进行了一个完善的2D 3V参考情况下的条件。准二维模拟结果与参考例的比较表明，该方法能够准确地求解强等离子体参数的轴向分布。此外，从准二维模拟中观察到的方位不稳定性的特征被证明是密切符合文献中报道的。因此，降阶PIC方案被验证为一个可行的，低计算成本的替代传统的多维粒子模拟霍尔推力器。
2022-06-28 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Free-Molecular Face-Flux Preprocessing for Reduced Neutral-Continuity Modeling in Hall Thrusters: Particle-Based Reference and Deterministic SN-DFEM Realization
School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学能源学院）
针对霍尔推进器中中性气体输运的高计算成本问题，提出自由分子预处理策略，通过粒子参考和确定性SN-DFEM方法提供面通量闭合，显著降低统计误差。
2026-06-15 physics.plasm-ph
A comparison of Fourier and POD mode decomposition methods for high-speed Hall thruster video
霍尔推进器易受影响推进器性能和寿命的大幅度等离子体振荡的影响，并且也难以建模。高速摄像机是一种流行的工具来研究这些动态，由于其空间分辨率，是一种流行的，非侵入性的补充原位探头。推进器振荡的高速视频可以通过算法分离（分解）成相干结构（模式），帮助我们更好地理解每个结构的演变和相互作用。这项工作提供了一个介绍，比较，并逐步教程建立傅立叶和更新的适当的正交分解（POD）算法，适用于高速视频的无屏蔽H6 6千瓦实验室模型霍尔推进器。从这个数据集，两套算法识别和表征$m=0$和$m>0$模式的放电通道和阴极区域的推力器羽流，以及模式之间的跳变$m=3$和$m=4$旋转辐条的通道。傅立叶方法是表征线性模态结构的理想方法，也提供了直观的色散关系。相比之下，POD方法使用能量最小化技术来定制基组，该能量最小化技术更好地捕获这些结构的非线性性质并且具有更简单的实现。傅立叶和POD方法一起为研究霍尔推力器等离子体不稳定性和模式动力学提供了一个更完整的工具包。具体来说，我们建议首先应用POD来快速识别全球动力学的性质和位置，然后使用傅立叶方法来隔离色散图和其他基于波动的物理学。
2022-05-27 eess.IV math.DS physics.plasm-ph
Research on mode transition of micro-newton-level cusped field Hall thruster
Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学）
研究微牛级杯形磁场霍尔推进器在微波模式转换过程中的等离子体参数变化及放电特性，揭示电子加热机制从体积加热到表面波加热的转变机制。
2026-04-22 physics.plasm-ph
Cross-field chaotic transport of electrons by $\vec E \times \vec B$ electron drift instability in Hall thrusters
霍尔推力器工业化发展的一个特别兴趣是表征通道出口后观察到的异常交叉场电子输运。由于电离效率超过90%，在该领域的中性原子密度是如此之低，电子碰撞不能解释实验观察到的高电子通量。事实上，这比碰撞输运高100倍。在霍尔推进器几何结构中，由于离子未被磁化，电场和磁场配置在电子和离子之间的漂移速度中产生巨大差异，这产生电子回旋漂移不稳定性或$\vec E \times \vec B$电子漂移不稳定性。在这里，我们专注于碰撞无混沌输运的电子所产生的$\vec E \times \vec B$漂移不稳定性的不稳定模式。我们发现，在这些静电模式的存在下，电子动力学变得混乱。它们从背景波中获得能量，背景波使电子温度沿垂直方向增加显著量$T_{\rm perp}/T_{\rm parallel}\sim 4$，并且沿轴向观察到显著量的交叉场电子输运。
2019-07-19 nlin.CD physics.plasm-ph
The effect of ion rotational flow on Hall thruster azimuthal instability via two dimensional PIC simulations
本文通过二维PIC模拟研究离子旋转流对霍尔推进器方位角不稳定性的影响，发现同向和反向旋转流均抑制不稳定性并降低轴向电子迁移率，且反向旋转流影响更大。
2025-04-28 physics.plasm-ph
Numerical investigation of reversed gas feed configurations for Hall thrusters
提出了一种霍尔推力器的反向供气结构，并进行了数值研究.作为一种替代标准的直接注射，我们调查的影响，注射推进剂附近的通道出口，并将其向后，朝向阳极。用直接模拟蒙特卡罗方法研究了冷阳极和热阳极条件下的中性密度场和平均速度场。使用测试粒子蒙特卡罗方法计算通道内和电离区域中的中性粒子的停留时间。计算表明，反向注入允许将标准进料配置的质量利用效率从2-5%增加到最大20-30%，这取决于初始效率。
2021-07-14 cs.CE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Contributions of the breathing waveform and residual fluctuations to power and higher-order spectra in a Hall-thruster plume
School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学能源科学与工程学院）
该研究分解霍尔推力器羽流探针信号，发现残余波动在高频段占主导，可重复呼吸波形主导呼吸谐波双相干结构，为相关谱分析提供了依据。
2026-10-09 physics.plasm-ph
Generalized reduced-order particle-in-cell scheme for Hall thruster modeling: concept and in-depth verification in the axial-azimuthal configuration
降阶粒子网格（PIC）方法是一种新型的等离子体静电动力学模拟方法。在我们以前的出版物中，我们展示了这种PIC方案的初步实施的潜力，以接近传统的多维PIC模拟的方式解决霍尔推进器中的多维等离子体过程。在这项工作中，我们首先介绍了一个数学上成熟的配方的泊松方程的降维，这使得广义的“准多维”PIC计划。给出了降维泊松方程在极限下收敛于多维泊松方程的证明。降维泊松求解器结合降维配方，然后验证一般的二维泊松问题。接下来，我们提出了几个准二维轴向方位角模拟使用广义降阶静电PIC方案的结果。我们表明，降阶PIC的制定的改进显着增强其预测能力，使该方法能够相当准确地再现参考全二维PIC模拟的结果，在几个条件下，使用低阶近似的二维问题。此外，高阶近似使我们能够恢复相同的特性和行为在文献中报道的霍尔推进器的方位角不稳定性与模拟提供了几个因素的计算成本降低。最后，我们讨论了一系列的敏感性分析，包括阴极边界条件和方位畴长度的准二维模拟的预测的影响。因此，我们在结论中概述了正在进行的活动降阶计划对霍尔推进器的物理学的成本效益的三维研究。
2022-08-28 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Influence of the magnetic field's curvature on the radial-azimuthal dynamics of a Hall thruster plasma discharge with different propellants
本文通过高保真降阶PIC模拟，研究了磁场曲率对霍尔推力器径向-方位向等离子体放电的影响，发现正负曲率导致不稳定性类型、等离子体性质及离子束发散存在显著差异。
2023-09-01 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Semi-local Floquet theory for active azimuthal magnetic modulation of Hall-thruster high-frequency instabilities
School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学能源科学与工程学院）
通过半局部Floquet扩展均匀场动力学电子漂移不稳定性色散关系，研究方位角磁场调制对霍尔推进器高频不稳定性的线性预筛选作用，发现调制主要导致谱重分布而非稳定化。
2026-10-21 physics.plasm-ph
Uncertainty quantification of a multi-component Hall thruster model at varying facility pressures
本文采用贝叶斯推断校准含阴极、放电和羽流子模型的耦合霍尔推力器模型，量化不同设备压力下的预测不确定性，并验证其跨工况、跨设施及在轨外推能力。
2025-10-21 physics.comp-ph physics.plasm-ph stat.AP
On the mechanism of ionization oscillations in Hall thrusters
低频电离振荡涉及等离子体和中性密度（呼吸模式）是最激烈的扰动霍尔推力器的电推进。由于它的简单性，零维（0-D）捕食者-食饵模型的两个非线性耦合常微分方程等离子体和中性密度已被经常用于这种振荡的特征和标度估计。我们研究了它的连续模拟，一维（1-D）系统的两个非线性耦合方程偏导数（PDE）的等离子体和中性密度。这是一个更一般的模型，其中标准的0-D捕食者-食饵模型是一个特殊的极限情况。我们表明，1-D模型是稳定的，并没有表现出任何振荡的边界条件相关的霍尔推力器和均匀的离子速度。然后，我们提出了一个减少1-D模型的基础上两个耦合PDE的等离子体和中性密度是不稳定的，并表现出振荡，如果使用的离子速度分布与附近的阳极回流（朝向阳极）区域。考虑到自洽等离子体响应的完整模型的预测的减少模型的比较表明，呼吸模式的主要属性被很好地捕获。特别是，它示出的呼吸模式振荡的频率是弱依赖于最终的离子速度，但显示出很强的相关性与离子回流区域的宽度。
2021-06-28 physics.app-ph physics.plasm-ph
Effects of the neutral dynamics model on the particle-in-cell simulations of a Hall thruster plasma discharge
本文通过一维轴向和准二维轴向-周向PIC模拟，评估不同中性粒子流体与动力学模型对霍尔推力器放电预测的影响，发现模型选择显著改变放电演化，且仅用连续性方程会引发非物理高频振荡。
2023-04-02 physics.comp-ph physics.plasm-ph
14-moment maximum-entropy modelling of collisionless ions for Hall thruster discharges
霍尔效应推进器中的离子通常以低碰撞性为特征。在存在加速场和方位角电场波的情况下，这导致从热力学平衡的强烈偏离，从而引入动力学效应。这项工作探讨了14矩最大熵模型在这个问题上的应用。该方法包括一组14个偏微分方程的密度，动量，压力张量分量，热流矢量和四阶矩与粒子速度分布函数。该模型被应用到霍尔推力器样配置中的无碰撞离子动力学的研究，其准确性评估对不同的模型，包括弗拉索夫动力学方程。三个测试情况被认为是：一个纯粹的轴向加速问题，离子波捕获的问题，最后在轴向方位角平面的离子的演变。这项工作的大部分只考虑离子，并通过规定合理的电场值来消除与电子的耦合。这使我们能够获得不同的离子模型之间的直接比较。然而，运行自洽等离子体模拟的可能性也简要讨论，考虑准中性或多流体模型。最大熵系统似乎是一个强大的和准确的选择所考虑的测试用例。的准确性提高了更简单的无压气体模型（冷离子）和气体动力学的欧拉方程，而计算成本保持比直接动力学模拟低得多。
2022-07-31 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Fluid and hybrid simulations of the ionization instabilities in Hall thruster
低频轴向振荡（5-50 kHz）是在许多类型的霍尔推进器中观察到的普遍特征。虽然人们普遍认为电离效应在这种模式中起着核心作用，如通过中性和等离子体密度的大尺度振荡所表现的，但不稳定性的确切机制仍不清楚。为了进一步深入了解呼吸模式的物理特性，并评估动力学效应的作用，一维时间依赖性的全非线性低频模型描述中性原子，离子和电子，在全流体制剂开发和相比，混合动力模型中的离子和中性动力学。这两种模型都是准中性的，并且共享相同的电子流体方程，包括电子扩散、穿过磁场的迁移率和电子能量演化。两种方法中的电离模型也是相似的。流体和混合动力模拟的预测进行了比较，为不同的测试用例。在两种模型中确定了两个主要制度：一个是纯低频行为，另一个是低频振荡与高频振荡共存（离子通道飞越时间的特征时间尺度为100-200 kHz）。另一个测试案例证明了注入原子的有限温度对振荡幅度的影响。
2022-01-27 physics.app-ph physics.plasm-ph
Ab initio Simulations of EMI-BF4 Neutral-Surface Interactions in Electrospray Thrusters
Sibley School of Mechanical & Aerospace Engineering, Cornell University（康奈尔大学西尔比机械与航空工程学院）
该研究通过从头计算分子动力学模拟，揭示了EMI-BF4中性粒子与金表面碰撞的三阶段相互作用机制，包括离子解离、中性化和共价断裂，为电喷射推进器设计提供关键数据。
2025-12-18 physics.chem-ph physics.plasm-ph
Effects of magnetic field gradient and secondary electron emission on instabilities and transport in an ExB plasma configuration
本研究使用降阶PIC代码模拟霍尔推进器，探讨了磁场梯度、二次电子发射等因素对ExB等离子体不稳定性和输运的影响，发现高密度下逆能量级联形成高频方位角模式，强磁场梯度会加剧电子交叉场输运和离子加热。
2022-12-09 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Verification of the generalized reduced-order particle-in-cell scheme in a radial-azimuthal ExB plasma configuration
在这篇文章中，我们提出了一个深入的验证广义静电降阶粒子在细胞（PIC）计划中的交叉电场和磁场配置代表的径向方位角部分的霍尔推力器。模拟的设置遵循一个完善的基准案例。这项工作的主要目的是证明，我们的新的PIC方案可以可靠地解决复杂的二维动力学和相互作用的等离子体不稳定性的径向方位角坐标的霍尔推力器在一小部分的计算成本相比，全二维PIC代码。为此，我们首先提出了我们新开发的全二维PIC代码的基准测试。接下来，我们提供了一个概述的降阶PIC方案和由此产生的“准2D”代码，指定的准2D PIC的降阶的程度是定义在“区域”的数量沿模拟的方向用于划分计算域。我们比较了准二维模拟的预测在各种近似度的二维问题对我们的全二维模拟结果。我们发现，通过增加Q2 D模拟中的区域数量，准2D结果收敛到2D结果。尽管如此，我们还强调，一个准2D模拟，提供了一个因素的5减少计算成本解决了基本的物理过程中几乎无法区分的方式相对于全2D模拟，并招致最大误差只有约10%的离子数密度和约5%的电子温度。
2022-11-29 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Numerical analysis of azimuthal rotating spokes in a crossed-field discharge plasma
低频旋转辐条在交叉场放电等离子体中获得使用二维数值模拟。一个粒子-流体混合模型是用来模拟等离子体流的配置类似于霍尔推力器。据报道，漂移扩散近似的电子流体的结果在病态的矩阵时，解决的潜力，因为在整个磁场的电子迁移率的差异，并在E $\times$ B漂移的方向。在本文中，我们采用了双曲线的方法，使稳定的计算，即更好的迭代收敛的电子流体模型。我们的模拟结果显示了一个相干旋转结构在E $\times$ B方向上以2,500 m/s的相速度传播，这与实验数据一致。由数值模拟得到的相速度与由梯度漂移不稳定性的色散关系预测的相速度吻合得很好。
2018-03-27 physics.plasm-ph
Unperturbed-orbit integration and the 3D kinetic dispersion relation of the electron cyclotron drift instability
School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学能源学院）
本研究通过未受扰轨道积分推导了电子回旋漂移不稳定性 的3D动能色散关系，考虑了有限朗姆半径效应和回旋谐波，填补了完全动能模型中的关键缺失步骤。
2026-01-14 physics.plasm-ph
Stochastic ion and electron heating on drift instabilities at the bow shock
对垂直弓形激波内部波含量的分析表明，离子加热与低杂波漂移（LHD）不稳定性有关，电子加热与电子回旋漂移（ECD）不稳定性有关。这两个过程都代表了由电子回旋半径尺度上的电场梯度引起的随机加速，这两种不稳定性产生。随机加热是一种单粒子机制，其中大梯度打破绝热不变量并使粒子暴露于直流场和波场的直接加速。加速度由函数$χ= m_iq_i^{-1} B^{-2}$ div（$\mathbf{E}$）控制，该函数表示用于电磁场和粒子之间的能量转移过程以及局部电荷非中性的测量的一般诊断工具。识别是利用磁层多尺度航天器（MMS）获得的多点测量结果进行的。LHD不稳定性的来源是离子的抗磁漂移，而ECD不稳定性的来源是电子的ExB漂移。霍尔离子推力器的ECD不稳定性的实验室诊断的结论是支持的。
2020-05-17 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
