无电极推力器中FRC等离子体团形成与加速机理研究

With the growing of the deep space exploration competition, the demand for propulsion technologies with high thrust, high specific impulse and long lifetime is becoming extremely urgent. The electrodeless plasmoid thruster (EPT) is a novel propulsion technology which can operate at ultra high power level with high performance. However, the primary problem that EPT is currently facing is its thrust efficiency is not high enough. For EPT, the core factor that determines the thrust efficiency is the dynamic characteristics in the FRC plasmoid formation and acceleration processes. By establishing the EPT physical model and using the basic theories of low temperature plasma and radio-frequency physics, this project will carry out the study on the mechanisms of FRC plasmoid formation and acceleration.With revealing the influence effects on FRC plasmoid caused by the pre-ionization plasma parameters,bias magnetic field topological structure and RMF antenna coupling efficiency, and breaking through the EPT efficiency promotion technology under the coupling action of multiphysics fields, a integrative optimum design method for high efficiency EPT can be formed. The research results of this project could provide the theoretical basis and technogical support for developing a prototype of high performance EPT and is of great significance and value for deep space exploration mission.

随着深空探测任务的竞争愈演愈烈，航天器对具有大推力、高比冲、长寿命等特点的推进技术提出了极为迫切的需求。无电极等离子体团推力器是一种可运行在超高功率水平且具有优良性能的新型推进技术，但目前面临的首要问题是推力效率不够高。对于无电极等离子体团推力器而言，FRC等离子体团在形成和加速过程中的动态特性是影响推力效率的核心因素。本项目通过建立无电极等离子体团推力器物理模型，运用低温等离子体与射频物理学基础理论，开展FRC等离子体团形成与加速机理研究，揭示预电离等离子体源参量、偏置磁场拓扑结构以及旋转磁场天线磁耦合效率等参数对FRC等离子体团的影响机理，突破多物理场耦合作用下无电极推力器效率提升关键技术，形成高效率无电极推力器一体化优化设计方法。本项目的研究成果可为未来研制高性能无电极推力器原理样机奠定理论基础和技术支撑，对我国开展深空探测任务具有十分重要的意义和价值。

随着深空探测任务的竞争愈演愈烈，航天器对具有大推力、高比冲、长寿命等特点的推进技术提出了极为迫切的需求。无电极等离子体团推力器是一种可运行在超高功率水平且具有优良性能的新型推进技术，但目前面临的首要问题是推力效率不够高。对于无电极等离子体团推力器而言，FRC等离子体团在形成和加速过程中的动态特性是影响推力效率的核心因素。本项目以提升无电极推力器效率为出发点，开展了无电极推力器中场反构型（Field Reversed Configuration, FRC）等离子体团的形成与加速机理研究。通过构建三维无电极推力器物理模型，采用有限元方法，完成了无电极推力器在旋转磁场天线激励作用下，等离子放电与演化过程的直接模拟研究，明晰了预电离等离子体参量、偏置磁场拓扑结构、旋转天线构型等对FRC等离子体放电过程的影响机理，同时给出了磁化等离子体中电子迁移率的张量表达式，明确了在中低频射频频率驱动下旋转磁场在等离子体中的渗透过程，加深了对FRC等离子体团形成机理的理解；通过构建等效电路模型，给出了一定参数条件下FRC等离子体团经旋转磁场激励的时变洛伦兹力加速后，对应的推力器的性能指标，为实现FRC等离子体团的最大化加速提供了优化方法；同时，研制了1台1kW级的无电极推力器实验样机并开展了实验测试，对FRC等离子体团的加速效果进行了实验验证。本项目的研究结果，获取了无电极推力器技术指标的关键数据，可为未来研制高性能无电极推力器原理样机奠定理论基础，对未来我国开展深空探测任务具有一定的借鉴意义和参考价值。