基于螺旋波预电离的脉冲感应等离子体放电特征和加速机理研究

This project intends to carry out the investigation on the discharge characteristics and acceleration mechanisms of HPPIT, the ionization, flow and energy deposition and dissipation model of the non-equilibrium plasma, and the corresponding numerical and experiment diagnostic methods are developed to analyze the spatial distribution characteristics of the pre-ionized plasma, the formation-development-acceleration mechanisms of the plasma inductive current sheet, and the thrust generation mechanisms. The physics mathematic model of the pre-ionization and acceleration, including the helicon discharge fluid model considering the movement of the neutral gas, and the two dimensional magnetic hydrodynamics method of the thermal nonequilibrium plasma flow, which is completed by the contact and non-contact method measuring the thermodynamic and kinetic parameters of the plasma, are implemented to investigate the rule of the effects of the radiofrequency energy and confinement magnetic field intensity, gas flow rate and single pulse discharge energy on the density, velocity and energy of the heavy/electron particles, and the interaction between the inductive magnetic field and the plasma, and then the correlation between the external variables and the plasma current sheet is established. The scientific basis for the optimization of the thrust design and working ability, and theory support on the independent development of the high performance inductive thruster of our country are provided by means of the above numerical and experiment methods.

本项目拟对螺旋波预电离的脉冲感应推力器（HPPIT）中等离子体的放电特征和加速机理开展研究，发展描述HPPIT中非平衡等离子体电离、流动以及能量沉积和耗散特性的物理数学模型，以及相应的数值计算-实验诊断方法，分析预电离等离子体参数空间分布特征，等离子体感应电流片形成-发展-加速机理，以及推力产生机制。预电离-加速物理数学模型采用考虑中性气体运动的螺旋波放电流体方法，以及μs周期强脉冲作用下，热力学非平衡等离子体流动的磁流体力学方法，并辅以羽流场热力学和动力学参数接触式和非接触式诊断的手段，深入系统研究预电离射频能量和约束磁感应强度、气体流量以及单脉冲放电能量对重粒子/电子密度、速度和能量的影响规律，感应电磁场与等离子体相互作用规律，建立外部可变参量与等离子体电流片变化的关系，从而为优化推力器结构设计和提高工作性能提供科学依据，为我国自主研制新型高性能感应式推力器提供理论支持。

本项目对螺旋波预电离的脉冲感应推力器中等离子体的放电特征和加速机理开展了研究。采用流体力学方法，考虑电子、离子、中性粒子和非稳态粒子等组分的流动和能量沉积，建立了描述螺旋波等离子体放电的总体和三维模型。采用磁流体力学方法，耦合气体热力学和输运性质模型，建立了脉冲感应等离子体电离和加速的二维轴对称运动模型。采用线圈电感计算模型，计算了不同平面线圈匝数和尺寸情况下，线圈表面电磁场的特性。基于数值模型的预示，设计了平面型放电线圈，开展了不同能量和质量情况下，脉冲感应式等离子体推力器的放电实验。计算结果发现，（1）对于螺旋波等离子体，射频功率增大时，放电平衡状态下等离子体的密度存在跃升和饱和的趋势；磁场强度增大时，非均匀放电模型中，在磁场强度较高的情况下，等离子体的密度呈现非线性的增大变化，而在均匀模型中始终维持了线性变化的趋势，表明了实验中观察到的随磁场变化密度突变现象主要是由放电的非均匀性造成。（2）脉冲感应等离子体的电离和加速过程中，对于微秒周期放电，在计算的范围内（放电电压大于8kV，推进剂质量1mg-10mg），较低单脉冲能量下，等离子体获得的能量较低，电离不充分，在作用周期内运动未达到解耦距离，推进效率低；在高能量和低推进剂质量情况下，脉冲能量沉积显著，等离子体可实现迅速电离且在耦合距离内获得较大的加速，并且这段时间为瞬态主推力主要产生阶段，此后等离子体在较低磁场和热膨胀效应的作用下逐渐减速，表明在正半脉冲周期内获得的加速能量决定了推力器的总体性能。（3）实验研究发现，随着放电能量的增大，等离子体压缩成为电流片的效应越明显，迅速向前推进，而在较低能量下，电流片产生后，气体未电离完全，产生多余的等离子体团，造成能量利用效率低。（4）对计算获得的总冲与实验结果对比发现，数值计算中引入的非真空环境、非实际初始放电条件等假设不影响总体性能的预测。通过上述研究，为优化推力器设计和提高工作性能提供了基础理论支撑。