单程离子回旋共振加热能量吸收机理研究

The Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR) adopts the Helicon plasma source to ionize gas, the ion cyclotron resonance heating unit (ICRH) to increase ion energy, and the magnetic nozzle to translate ion motion direction from azimuthal to axial and consequently generates thrust. It has the advantages of high thrust, high specific impulse, large thrust density, high power density, thus a great potential in future space exploration. However, the current understanding of the core issue for the high-speed single-pass ICRH mechanism in VASIMR is still incomplete. Besides, the influence on energy deposition of designing parameters such as magnetic field configuration, antenna geometry, gas type, RF frequency and plasma flow velocity are still not clear enough. This project mainly focuses on the power absorption mechanism in the high-speed single-pass ICRH through theoretical modeling, numerical simulation, and experimental method: a hybrid plasma model including both fluid model and particle trajectory simulation which describes the electromagnetic fields, electrons and ions respectively is to be established and solved by full-coupled method. The influence regulation to the power absorption efficiency for different parameters like magnetic field configuration, antenna geometry, gas type, RF frequency and plasma flow velocity will be investigated by the numerical code, which then guide the designing of a prototype with low power; Then the experimental prototype will be established, the test of ignition and steady-state working will be conducted; Finally, plasma will be measured through optical diagnosing method to verify the reliability and accuracy of the numerical model.

可变比冲磁等离子体火箭具有大推力、高比冲、大推力密度、高功率密度等特点，是一种极具潜力的空间电推力器。但是目前对其中所涉及的高速等离子体单程ICRH机理这一核心问题的认识尚不全面，磁场位形、天线形式、气体种类、RF频率、等离子体流速等实际设计参数对于能量沉积的影响机制还不够清晰。本项目拟采用理论建模和数值模拟手段，结合实验研究，探讨高速流动的离子在单次通过ICRH天线时所发生的能量吸收过程。建立包含分别描述电磁场、电子、离子的多物理场混合等离子体模型，该模型对电子采用流体方法描述，对离子采用粒子追踪方法描述，并对模型进行全耦合的数值仿真求解，通过仿真平台研究不同实际设计参数对于能量沉积的影响机制与规律，进而指导、设计出缩比模型验证样机；最后，建立缩比样机的实验装置，完成测试、点火以及稳定工作的调试，通过光学诊断实验技术对等离子体进行精确测量并对比验证数值模型的可靠性和精度。

可变比冲磁等离子体火箭具有大推力、高比冲、大推力密度、高功率密度等特点，是一种极具潜力的空间电推力器。但目前对其中所涉及的高速等离子体单程ICRH机理这一核心问题的认识尚不全面，项目围绕建模仿真、实验集成以及参数测试三个方面开展工作。通过研究，进一步明晰了单程离子回旋共振加热能量吸收机理，获得了诸多前人未曾报道的研究结论，主要工作或结论包括：.①.建立了耦合求解螺旋波放电与离子回旋共振的多物理场二维数值模型，模型高度自恰且对冷等离子体和热等离子体进行了分别考虑，仿真结果表明模型能够准确捕捉经典理论下的冷等离子体能量吸收线；考虑了离子温度和速度的热等离子体ICRH能量吸收符合扩展多普勒共振关系式，等离子体能量吸收的区域沿着经典吸收线向两侧扩展为面状吸收；在电子加热、冷离子加热、热离子加热三种机制中，由于扩展多普勒共振关系的存在，最后一种占据主导作用；等离子体的流速对ICRH天线的能量吸收效率具有显著影响作用，提示在设计实验装置时，应该在等离子体进入ICRH级之前进行初步加速。.②.对产生复杂构型磁场所需的线圈结构进行分析设计和仿真，测试表明强磁系统参数精准且具有良好热稳定性；研究了Helicon天线和ICRH天线阻抗特性，设计了改良的阻抗匹配网络并进行仿真，得到效果良好的阻抗匹配方案；完成推力器装置整体搭建，结果表明两种波加热天线工作正常，其阻抗匹配网络效果良好，Helicon天线射频传输系统反射率控制在1%以内，ICRH天线反射率控制在20%以内，实现了最大功率3kW的VASIMR装置成功点火与运行。.③.基于所建立的VASIMR装置开展等离子体束流引出和测试工作，获取了数密度不低于7.26e16/m3的优质等离子体束流；推导了影响等离子体分离的磁约束判据的计算式，通过调节线圈所通的电流大小来实现不同强度和梯度的磁场构形开展测量实验，确定了磁约束判据的具体临界值Q因子等关键参数，这些研究工作在国内外公开报道中尚属首次，对于未来指导完善VASIMR工程化过程中关键的等离子体分离控制技术具有重要意义。