激光烧蚀磁等离子体推力器工质烧蚀特性与电磁加速机制研究

The researching object of this project is the laser ablation magnetoplasmadynamic thruster. The process of propellant ablation, plasma ionization enhancement and plasma acceleration will be investigated by employing the experimental, theoretical and numerical methods. The mechanism of laser ablation and the property of plume distribution will be obtained by utilizing the experimental and numerical studies. And the model which can accurately describe the process of instantaneous laser ablation and plume expansion will be established. In addition, the credibility threshold criteria for discharge breakdown which is induced by laser ablation plasma will be ascertained. A variety of contact and non-contact diagnostic techniques are utilized to study the characteristics of plasmas and the varieties of plasma components in the discharge channel. Considering the plume absorption and shielding and the coupling of the laser and electromagnetism, the dynamical model of plasma will be established in order to reveal the mechanisms of ionization enhancement and acceleration in the discharge channel.

本项目以激光烧蚀磁等离子体推力器为研究对象，综合运用实验测量、理论分析和数值模拟方法，对推力器工质的激光烧蚀、等离子体电离增强和加速过程进行深入研究。通过对工质的激光烧蚀过程进行实验和数值研究，掌握工质的激光烧蚀机制及其羽流分布特性，建立能够准确描述工质激光瞬态烧蚀和羽流膨胀过程的数值模型，确定激光烧蚀等离子体诱导推力器真空击穿放电的阈值判据，建立推力器真空击穿放电动力学模型。采用多种接触式与非接触式实验测量技术，实验研究放电通道内等离子体的形态发展演化规律以及等离子体各组分的变化，探究电离增强影响因素和发展规律；建立考虑等离子体对激光能量的动态吸收和屏蔽作用，以及激光-电磁耦合效应的等离子体运动模型，弄清电磁加速通道内等离子体电离增强和加速的机制。

针对激光烧蚀磁等离子体推力器（Laser Ablation Magnetoplasmadynamic Thruster，LA-MPDT）工作特点，提出了LA-MPDT多级点火、放电电源的设计方案，分别建立了点火电路和主放电电路的仿真模型，并数值模拟了推力器的点火和主放电过程。针对短脉宽强激光烧蚀金属铝工质的物理特性，分别建立了考虑材料热物性变化、相变、介电转变和相爆炸物理机制的工质烧蚀模型，以及考虑等离子体的电离、烧蚀羽流的吸收和屏蔽作用的二维烧蚀羽流动力学模型。耦合计算工质烧蚀和烧蚀羽流运动，完整地描述了铝工质的激光烧蚀和烧蚀羽流运动过程；开展了工质烧蚀特性、烧蚀羽流运动和电离特性的仿真分析。针对短脉宽激光烧蚀聚合物工质PTFE的物理特性，分别建立了考虑材料热物性变化、相变和非傅里叶效应的工质烧蚀模型，考虑烧蚀羽流组分间的化学反应、电离、烧蚀羽流吸收和屏蔽的烧蚀羽流动力学模型和热化学模型。耦合计算工质烧蚀、烧蚀羽流运动和烧蚀羽流组分间的化学反应，完整地描述了PTFE工质的激光烧蚀和烧蚀羽流运动过程；开展了工质烧蚀特性、烧蚀羽流热化学特性和烧蚀羽流运动特性的仿真分析。. 提出了PTFE基掺杂金属或金属氧化物的改性工质制备方案和方法，并采用压模烧结成型工艺，制备了多种组分和质量分数的改性工质，进而开展了改性工质激光烧蚀特性的实验研究。建立了基于倒立悬臂梁结构的冲量测量系统，以及基于脉冲安培力的电磁标定装置；开展了LA-MPDT推进性能影响参数的实验研究。研究发现：由推力器放电过程中的电压、电流变化，获得了推力器内等离子体电弧由产生到增强再到熄灭的变化过程；相同激光参数条件下（1000W，1ms），随放电能量增加，推力器推进性能显著提升，放电能量为78J时，推力器实现比冲4800s，推进效率9.1%；相同放电能量条件下（50J），随激光能量增加，推力器比冲逐渐降低，推进效率先增加后降低，在激光能量为2J时达到最大推进效率18.5%；工质质量损失主要由激光烧蚀作用造成，而推力主要来源于等离子体的电磁加速作用。