激光支持的脉冲等离子体推力器工质烧蚀与加速机理研究

The combination of laser with pulsed plasma thruster (PPT) will provide a new way to improve the performance of PPT. The process of laser ablation, plasma ionization enhancement and plasma acceleration in laser assisted PPT will be investigated by means of experimental, theoretical and numerical methods. Experimental study on characteristics of laser plasma plume and analysis of plume including ions and neutral gaseous matter will be conducted to explore the way of improving ablatant ionization rate. The factors that affecting the laser ablation will be investigated and the principal for choosing the propellant will be preposed. The characteristics of plasma in the discharge channel and deposition of plume particles will be analyzed and compared with laser plasma plume to reveal the mechanism of ionization enhancement. According to the measurements of thrust and impulse bit and the observation on characteristics of plasma, the mechanism of plasma acceleration will be studied. The effect of magnetic fields added to the plasma will be investigated. A MHD model which describing the physical process of plasma ionization enhancement and acceleration will be developed. Numerical simulation will be implemented to explore the ionization and acceleration mechanism in discharge channel and illustrate the effective ways to increase ionization rate of propellant and the ways to improve thrust performance.

将激光应用于脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thrust，PPT）为改善和提高PPT的性能提供了新途径。本项目以激光支持的PPT为研究对象，针对工质的激光烧蚀、电离增强和加速过程，综合运用实验研究、理论分析和数值模拟方法进行系统研究。实验研究纯激光烧蚀产生的等离子体羽流特性，分析羽流中离子、中性气体等的速度和质量分布规律，探索激光烧蚀质量和电离率的影响因素；分析多种工质的激光烧蚀特性，为工质选型与改性提供指导。测试并对比分析进入放电通道后的等离子体特性变化，总结羽流粒子沉积规律，探索电离增强机理及其影响因素。通过推力和冲量测量及等离子特性实验，弄清等离子体加速机制。在放电通道内叠加多种磁场，探索磁场位形对等离子体运动的影响规律。建立磁流体力学模型并进行数值仿真研究，探究等离子体电离增强与加速过程的内在物理机制，寻找提高工质利用率、提升推力器性能的有效方法。

提出并设计了一种新型的激光支持的脉冲等离子体推力器（Laser-sustained Pulsed Plasma Thruster,LS-PPT），综合运用实验测量、理论分析和数值仿真方法对LS-PPT工质烧蚀过程、电磁加速过程以及羽流污染等问题进行系统研究。建立了考虑短脉宽激光传热的非傅里叶效应和工质烧蚀过程的相变和蒸发机制的激光烧蚀数值模型；开展了LS-PPT放电通道内等离子体电磁加速特性的光谱诊断，以及外加磁场对LS-PPT放电通道内等离子体运动的影响的实验研究；建立了LS-PPT放电通道内等离子体运动模型，以及LS-PPT羽流三维数值模型，分析推力器加速机理以及羽流污染特性。研究结果表明：高电压对放电通道内的工质放电和电离能力更强，在2000V充电电压下，采用激光烧蚀产生等离子体，等离子体可被加速到66.7km/s，对应的推力器比冲可达6670s，对应的推进效率达到72 91%；外加磁场可将推力器元冲量提高到原来的近两倍。另外，对比PTFE和金属铝工质发现，在其他条件相同时，采用PTFE工质的LS-PPT可获得更高的元冲量，而采用金属铝工质的LS-PPT可获得更高的比冲和推进效率；LS-PPT放电前期的等离子体具有很高的电离度，且能量利用率较高，电磁力加速产生的冲量占元冲量的大部分，到放电后期，等离子体密度和温度降低，整个放电通道内的组分基本为中性粒子，能量利用效率降低，冲量主要是气动力作用的结果，因此增强电磁加速、减小电流振荡有助于提高推力效率；放电通道中的Hall 效应会导致电流发生偏斜和扭曲，使得等离子体偏向阴极一侧喷出，产生侧向推力并造成推力损失；推力器喷口附近的磁场强度和梯度很大，而且磁场的扩散距离较远，易影响到羽流场中离子的运动。相较于展向方向上的离子速度和羽流发散角，电极横向方向上的离子扩散速度和羽流发散角更大，羽流在这一方向上的扩散范围更广，羽流场中，中性粒子的回流比较轻微，离子回流的时间早、质量大、比例高、速度快，是最主要的回流污染源。