类磁约束核聚变推力器电磁流体流动特性研究

As a novel and disruptive electromagnetic propulsion technology, magnetic-confinement-fusion-like thruster enlightened by the field reversed configuration magnetic pinch technology, has become one of the most potential propulsion technologies in the deployment deep space exploration with the prominent advantages on high specific impulse, long lifetime, high thrust, and free of neutralizer. Combining the methods of modeling and experiments, this project intends to investigate the flow characteristics of the electromagnetic fluid during the magnetic-closed plasmoid’s expanding towards into the environment, revealing the nonlinear coupling mechanism between the plasmoid and the field, optimizing the magnetic topology, enhancing the impedance matching of the RF circuits and the RF antenna, finally putting forward the optimum design scheme for the promoting RMF acceleration effectiveness under the multiple physical field coupling, hence providing the theoretical and technical support for our country’s future magnetic-confinement-fusion-like thruster, and facilitating the development of the deep space exploration mission.

类磁约束核聚变推进是一种新概念的能够满足深空探测要求的具有颠覆性技术特征的空间推进技术，其工作原理受磁约束核聚变中的场反构型磁箍缩技术启发，具有高比冲，长寿命，大推力等显著优点，也不需要中和器，在深空探测任务实施中具有广阔的应用前景。本项目通过数值仿真与实验研究相结合的方式，对推力器中电磁流体流动特性展开研究，揭示磁闭合等离子体团加速过程中与场的非线性耦合作用机理，优化磁场拓扑结构，提高射频天线回路阻抗匹配性，提升旋转磁场加速效果，形成多物理场耦合作用下旋转磁场加速效果优化设计方案，奠定我国未来类磁约束核聚变推力器研制的理论和技术基础，助力我国深空探测任务的顺利实施和完成。

近年来，我国深空探测进入快速发展阶段，目标多元化、形式多样化的深空探测任务对先进空间推进技术提出了更迫切的需求。现有的空间推进技术，或比冲低，实施深空探测任务燃料消耗过大，在现有运载水平下无法顺利实施；或推力较小，实施空间探测任务周期过长，不利于深空探测和航天技术实现跨越式发展。类磁约束核聚变推进是一种能够满足深空探测要求的具有颠覆性技术特征的新型空间推进技术，但是目前该技术处于研发起步阶段，推进机理有待深入理解，各项推进性能指标就有待优化和提升。本项目以深入理解类磁约束核聚变推力器的推进机理、提升和优化推力器性能为目标，开展了类磁约束核聚变推力器电磁流体流动特性研究。本项目通过建立磁闭合等离子团在形成、约束和加速过程中粒子与粒子之间的碰撞-辐射模型，开展了多流体反应动力学稳态模拟研究，碰撞辐射方程的时间分辨演化研究，初步揭示了等离子体团形成过程中多流效应的影响；形成了类磁约束核聚变推力器磁拓扑结构的设计方法及优化方案，实现了射频天线激励源以及回路阻抗匹配特性的优化调制，成功研制出了能稳定工作的1kW级原理样机，并开展了初步测试实验。本项目的研究结果可为未来高性能类磁约束核聚变推力器的研制奠定理论基础，也可为我国空间电推进技术的无电极化发展提供技术支撑，助力我国深空探测任务进一步开展。