多级会切磁场等离子体推力器电子传导机理研究

The cusped field thruster is a new type of plasma propulsion system proposed recently. By using multistage cusp magnetic field, the thruster can achieve high performance with longer life, which means good prospect. The electric conductivity mechanism is an important aspect in cusped field thruster. Its distribution can decide ionization and acceleration process of the thruster. However, it is found from recent works that electron conductivity process in the cusped field thruster should be studied furthermore...It is found by the proposer that the cusp magnetic field of the thruster will make the variation of electron conductivity distribution along radial direction. At the same time, it is found that there are two different types of electron inside the thruster, including leak electron and trapped electron respectively. The ratio of these two types of electron and their spatial distribution have great influence on thruster performance...In this proposal, we present to study the electron conductivity mechanism of the cusped field thruster. By analyzing the influence of cusp magnetic field on electrons, the special behaviors of the electron distribution function and sheath will be studied. Then the electron conductivity will be researched furthermore to get the plasma distribution. After that the electron conductivity mechanism of the thruster can be clear.

多级会切磁场等离子体推力器是最近新涌现出的一种等离子体推进装置。通过采用会切磁场位型，大幅度地提高了推力器寿命，具有广泛的应用前景。电子传导机制是多级会切磁场等离子体推力器的重要理论问题。电子传导空间分布直接决定了推力器电离加速过程。但是通过调研发现，多级会切磁场等离子体推力器电子传导机制的研究还不够深入。.申请人通过前期对多级会切磁场等离子体推力器的研究发现，推力器会切磁场位型造成电子传导径向分布的差异。并且存在漏失电子和捕获电子，两类电子的比例和空间分布对推力器等离子体参数分布具有重要影响。.本项目在现有研究基础上，提出对多级会切磁场等离子体推力器电子传导机制进行系统研究。通过分析会切磁场位型对电子运动过程的影响规律，研究推力器内部强电场作用下漏失电子和捕获电子分布函数的空间演化规律。在此基础上分析电子的传导过程，得到等离子体参数的分布规律，明确多级会切磁场作用下的电子传导机制。

多级会切磁场等离子体推力器是最近新涌现出的一种等离子体推进装置。通过采用会切磁场位型，大幅度地提高了推力器寿命，具有广泛的应用前景。电子传导机制是多级会切磁场等离子体推力器的重要理论问题。.本基金首先对会切磁场作用下电子传导过程进行调研，通过 PIC/MCC 模拟方法，验证了漏失电子的存在。在此基础上，开展测量阳极电流密度，多环阳极的变阳极位置及变内环材料等实验，利用实验手段测量阳极电流密度径向分布，验证漏失路径的存在并进一步探究了漏失路径对多级会切磁场等离子体推力器放电特性的影响。并进一步通过两条典型的电子路径建立流体模型进一步研究了漏失电子比例对多级会切磁场等离子体推力器内部等离子体参数分布的影响。.在此基础上，基于电子传导机理首先分析了多级会切磁场等离子体推力器的主要电离区域及加速路径，继而就会切场磁场强度和尖端位置等磁场因素对多级会切磁场等离子体推力器工作的影响进行研究并进行优化。在此基础上，本基金进一步利用实验和模拟手段研究了包括通道长度，径向供气位置，径向阳极位置，变截面多级会切磁场等离子体推力器出口渐扩角等结构参数对推力器工作过程的影响规律并进行优化。.最后，本基金对多级会切磁场等离子体推力器的应用进行研究，分析了多级会切磁场等离子体推力器在重力场测量任务中的可应用性后，建立无拖曳控制模型进一步研究了推力器推力分辨率，传感器测量误差对闭环控制系统性能的影响以及响应延迟、推力不确定性等动态特性对控制精度的影响。由于不同工质有自身的优点，可以适用于不同的航天任务中，因此本基金对Xe，Kr，Ar和I工质多级会切磁场等离子体推力器进行了研究。.通过本基金关于多级会切磁场等离子体推力器电子传导机制分析，本课题组录用及发表SCI检索的论文15篇，EI检索的论文2篇，培养博，硕士4名。其中，有2篇文章发表在Top期刊Plasma Source Science＆Technology（IF=3.939, 中科院大类分区2区，小类分区1区）。