基于多物理场耦合的脉冲等离子体推力器放电烧蚀及电离特性研究

As a type of space propulsion system, the pulsed plasma thruster (PPT) is one of the important directions in current technological development of electrical propulsion. How to improve the efficiency of PPT is always research focus, and one of the urgent problems is relevant to the understanding of ablation and ionization mechanism..Previous studies did not adequately consider the role of the ionization process on coupling mechanism of ablation and flow in PPT. And to understand how this role affects the performance of PPT needs quantitative and systematic research methods. Firstly, the project analyzes the effects of thermodynamic state and transport property of ionization process on the relationship of ablating boundary layer and plasma layer under the transient coupling of thermal, electrical, magnetic and other multi-physical fields, so as to builds an effective transition medium model between ablation processes and inflow conditions. Secondly, on this basis, the project simulates the operation process of PPT and reveals the evolution law of PPT ablation process under pulsed current excitation, as well as the temporal-spatial variation and its influence factors for different plasma species in the discharge chamber. Finally, the project proposes a non-intrusive spectrum diagnostics to realize discharge plasma diagnosis. This method makes a quantitative analysis and calculation for different plasma species in the discharge chamber and to verify the validity and applicability of theoretical model and simulation results. In conclusion, this project is of great value in providing theoretical and experimental supports for systematic and quantitative studying on the discharge energy distribution and loss mechanism and plays an irreplaceable role in developing high-performance PPT.

采用脉冲等离子体推力器(PPT)的空间推进装置是当前电推进技术发展的重要方向，如何提高PPT工作效率是一个研究热点，其中固体推进剂烧蚀与电离特性的研究是亟待解决的关键科学问题。.以往的研究未充分考虑离子化过程对烧蚀与流动耦合机制的作用，而这一作用又如何影响PPT性能，亟需定量化、系统化的技术手段。为此，本项目深入分析在热、电、磁等多物理场耦合的瞬态过程作用下，PPT离子化过程的热力学与输运性质对烧蚀边界层、等离子体层及其相互关联的作用机理，完善烧蚀与流动耦合模型；在此基础上模拟PPT工作过程，揭示脉冲电流激励下固体推进剂烧蚀演化机制以及多种等离子体组分的时空分布特性及影响规律；最后采用非接触式诊断方法来实现放电室等离子体的测量，定量化地验证理论模型的正确性和适用性。研究成果可为探究PPT放电能量分配及损失机理提供理论依据和实验分析手段，对研制高性能电推力器具有不可替代的作用。

脉冲等离子体推力器(Pulsed Plasma Thruster，PPT)具有比冲高、结构简单、平均功率小和控制灵活等特点，可用于执行微小卫星姿轨控等多种在轨推进任务，是当前空间电推进技术研究的热点和重要方向之一。然而，长期以来PPT效率低下一直是限制其发展和空间应用的核心问题。作为PPT工作的关键环节，等离子体形成及其运动过程直接影响着性能的提升，而控制该过程的烧蚀与流动耦合机制及其影响规律尚缺乏系统的机理分析和优化途径。.为此，本项目深入研究了脉冲电流激励下PPT工作机理，在多物理场耦合作用下放电烧蚀及电离特性等方面获得进展和突破，主要包括：1. 研究了PTFE烧蚀与电离过程所形成的等离子体组分效应对壁面与等离子体气团间相互关联的作用机制，确立符合PPT工况的固体烧蚀边界层与等离子体层间物理边界条件；建立了基于磁流体力学的多物理场耦合模型以及包括非接触式诊断的测试系统，实现了等离子体瞬态特性及其影响规律的定量分析。2. 基于双极脉冲放电模式构建了放电能量分配及性能分析机制的研究平台，通过实际测试获取了在相同能级下分布式释放对放电特性和宏观性能的作用机制。研究发现，在相同的总储能条件下，能量分布释放方式可以提升主放电烧蚀气体的电离度，减少PPT推进剂的消耗，进而增大了比冲和效率；主放电与次放电储能比1.77条件下的比冲和效率相比于传统PPT工作模式分别增大了约40%和27%。3. 分析电极间距、电极张角及推进剂表面构型对推力器性能的影响，从机理上提出了一种能够增强大烧蚀供给条件下电热和电磁加速效应的放电室构型，通过两段式电极结构解决电流和电感梯度这两项性能参数兼容问题；构建了该构型下自感磁场模型，发现了电磁冲量会随着极板张角的变大呈现先增大而后减小的规律。最后基于粒子网格-蒙特卡洛（PIC-MCC）方法直观地揭示了放电室复杂电磁场环境中电场的作用、粒子电离碰撞的发生以及运动等演化机制。本项目的研究为深入理解PPT放电工作机理和高性能推力器的设计提供了参考依据和数据支持。