螺旋波等离子推进器中等离子体与波相互作用和输运过程的研究

The Helicon Plasma Thruster (HPT) is a new concept of electric propulsion system without electrodes. The advantages of HPT are relatively simple structure, high utilization rate of propellant, long life time and large specific impulse. It can undertake a variety of space propulsion tasks and has a wide range of applications. Studying the plasma-wave interaction and transport process in the helicon plasma thrusters is beneficial to improve the working performance of the thruster and optimize the structural thruster design. Based on the working principle of the thruster, the two-dimensional fluid model and the plasma-wave interaction model are respectively established and coupled to obtain a self-consistent numerical solution in the helicon source of HPT. The characteristics of helicon discharges, the transport process and the propagation of the helicon wave and the energy conversion mechanism in plasmas are studied by using numerical simulation and parametric investigation. Moreover, based on the above analyses, the working performance of the thruster is investigated by varying with the thruster parameters and the method of improving the working performance and optimizing the design of thruster is found.

螺旋波等离子推进器是一种无电极式的新型电推进系统，其结构相对简单，具有工质利用率高、寿命长和比冲大等优点，可承担多种空间推进任务，有着广泛的应用前景。探究螺旋波等离子推进器中等离子体与波相互作用和等离子体的输运过程，有利于提高推进器的工作性能和优化推进器的结构设计。本项目基于推进器的工作原理，分别建立螺旋波等离子推进器中等离子源内的二维流体模型和螺旋波与等离子相互作用的波动模型，并将其耦合得到等离子源内自洽的数值解。通过数值模拟和参数分析，研究螺旋波等离子体的放电特性、输运过程和螺旋波在等离子体内的传播形式以及能量转换机制。并且，基于以上分析，通过改变推进器的工作参数，研究推进器的工作性能随着参数变化的规律，找到提高推进器工作性能的方法，优化推进器的结构设计。

螺旋波等离子推进器是一种无电极式的新型电推进系统，有着广泛的应用前景。本项目对螺旋波等离子推进器中等离子体与波相互作用的过程和等离子体的输运过程进行了深入的理论分析和数值研究，为螺旋波等离子推进器的设计、优化和广泛应用提供了详尽的理论基础。本项目分别建立了螺旋波等离子体的频散关系，考虑热传导效应的螺旋波等离子体一维自洽模型以及螺旋波等离子体二维耦合模型，通过上述模型计算得到了不同状态下等离子体参数的分布情况，研究了螺旋波在等离子体中的传播特性和能量沉积规律，以及推进器内等离子体参数的变化情况和对推进器性能的影响。研究表明：（1）螺旋波等离子体在高频和低频混杂波频率区间具有不同的传播性质和能量沉积规律，当射频频率接近低频混杂波频率时，低频混杂波共振是螺旋等离子体中能量沉积的主要机制，能量的吸收主要集中在等离子体边界附近。这导致等离子体电阻在低频混杂波频率附近具有较大的局部峰值，并且达到局部峰值的磁场仍然与等离子体密度呈线性关系。（2）在螺旋波等离子体的输运过程中，证实了热传导对于当地热平衡有补偿作用。当地热平衡的改变，引起密度与电子温度等参数的变化。并且，轴向热传导占据主导作用，而径向热传导的作用取决于磁场的大小。（3）非均匀的外加磁场和等离子体密度对螺旋波的传播形式和能量吸收具有显著的影响，通过比较不同磁场构型和密度分布，波的传播和能量的吸收是沿着磁感线方向的，因此能量吸收的区域随着弯曲的磁感线而变化。另外，随着磁场强度、等离子体密度和碰撞频率等参数的变化，存在最佳的天线与等离子耦合状态使得等离子吸收射频能量达到最大值。（4）制约螺旋波等离子推进器推力和效率进一步提高的关键因素是壁面损失，其中粒子和能量在侧壁面的损失由于磁场约束的作用相对较小，而占据主导的是在后端壁面的损失。另外，电子温度对推进器的性能具有显著的影响。