基于PIC方法的磁等离子体发动机附加磁场约束对通道等离子体的加速机制研究

In applied-field magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPDT), channel plasma accelerated by the electromagnetic field is the main contribution to total thrust. In addition, investigation of the plasma acceleration mechanisms is foundation for physical processes study in AF-MPDT. In our research, the numerical simulation of accelerations is based on PIC/MCC and hybrid PIC method, rather than traditional MHD theory. With PIC method, the contribution ration to total thrust of the four acceleration modes which includes Self-field, Hall, Swirl, and Gas-dynamic accelerations can be obtained quantitatively; the physical process of azimuthal kinetic energy conversion into axially kinetic energy also can be presented; the value and direction of azimuthal Hall current will be estimated and the mechanism of the possible reverse electromagnetic force will be achieved; the study can provide the distributions of plasma mass flow, density, velocity, enthalpy, magnetic field diffusion, and discharge current in an AF-MPDT and verify the validity of the model, method, and simulation results through comparative study. The results can present the explicit physical process of plasma acceleration, and the understanding of thrust production mechanism will be improved. The research can provide consults for optimization of structure parameters, magnetic nozzle, instability, and plasma sheath study in AF-MPDT.

在附加磁场等离子体发动机（AF-MPDT）中，附加磁场约束对等离子体的加速是推力产生的根本,加速机制又是AF-MPDT工作过程众多物理问题的源头。项目研究不基于传统的磁流体（MHD）模型和方法，将新建立粒子动力学模型，采用PIC/MCC和混合PIC方法，对AF-MPDT中附加磁场约束对等离子体的加速机制进行仿真，定量的研究和分析附加磁场中霍尔、涡旋、自身场和热分量四种加速机制对推力贡献的影响比例，明晰方位角涡旋加速的动能转化物理过程，判定霍尔电流的大小及方向，分析可能的反向电磁力产生机理，给出AF-MPDT推进剂等离子体流量、密度、速度、焓、磁场扩散和电流等工作参数分布，并通过对比研究的方法来验证模型、方法和仿真结果的正确性。希望研究结果能够进一步明晰粒子加速过程的各物理环节，从而正确认识推力产生机理，并为AF-MPDT的结构参数优化、磁喷管、不稳定性、鞘层等方面的研究提供有益的参考。

作为未来星际、外层空间往返运输工具的最佳候选推进方案之一，高比冲、大推力的磁动力等离子体发动机主要通过附加磁场约束来产生等离子体加速效应，最终形成推力。项目着眼于电磁等离子体加速机制研究，不采用传统的磁流体模型和方法，而通过粒子动力学模型和PIC/MCC方法对附加场磁等离子体发动机（AF-MPDT）加速通道内等离子体流动过程进行了数值仿真，获得了等离子体浓度、速度、电流等物理参数分布规律，并定量研究与分析了耦合电磁力对等离子体内部加速的物理机制，明确了自身场加速、霍尔加速、气动加速和涡旋加速对推力的贡献比例约为1：10：10：100。同时，借助于AF-MPDT原理样机及测试系统研制，项目研究过程中采用投靶法测量了发动机推力，通过调节流量、电流、附加磁场等工作参数，获得了发动机启动特性和工作性能变化规律。综合理论分析、数值仿真及实验研究，研究建立和验证了AF-MPDT实验测试性能预示模型。整个项目为AF-MPDT加速推进系统的未来工程化应用提供了有意义且重要的研究指导。