固体烧蚀型脉冲等离子体推力器放电烧蚀过程的理论与实验研究

为提高固体烧蚀型脉冲等离子体推力器（Ablative Pulsed Plasma Thruster-APPT）的工质利用率和系统效率，本项目针对APPT工作过程中的二次放电、工质粒子溅射、滞后烧蚀等特殊问题，综合运用理论分析、数值仿真及实验手段进行系统研究。通过对APPT欠压放电工作过程进行理论分析及数值模拟，发展抑制APPT二次放电的理论与方法，获取APPT欠压击穿放电阈值的可靠判据；建立能充分反映APPT工质烧蚀物理过程的烧蚀模型，探究工质利用效率低下的关键因素，掌握APPT工质烧蚀及损伤破坏机理；利用多种接触式及非接触式诊断技术进行APPT实验研究，掌握在不同工况下APPT的放电烧蚀特性、等离子体特性、羽流污染特性及系统性能，确定影响系统性能的主要因素；研制适用于APPT的特氟龙基改性含能工质，并进行激光点火及激光辅助烧蚀的实验研究，发展新型采用含能工质的激光辅助脉冲等离子体推力器。

本项目综合运用理论分析、数值模拟和实验等研究手段，以提高固体烧蚀型脉冲等离子体推力器（Ablative Pulsed Plasma Thruster, APPT）工质利用效率、提高推力器工作可靠性与性能、探究APPT的工作机理为研究目标，对APPT的放电过程、工质烧蚀过程、等离子体羽流特性以及工质改性等方面进行了系统深入的研究。建立了APPT欠压击穿放电过程的理论模型，对欠压击穿放电过程进行了数值仿真和实验研究，得到了APPT欠压击穿放电的放电电压阀值，研究发现：增加点火能量可以有效降低放电电压阀值和增加APPT的工作可靠性；APPT的放电电压阀值随极板间距的增大而增大，但极板间距对放电电压阀值的影响逐渐趋缓。建立了能充分反映APPT固体工质烧蚀物理过程的理论模型，对固体工质烧蚀过程进行了数值仿真研究，研究了聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene, PTFE）在烧蚀过程中的温度分布及其演化规律，研究发现：在APPT放电的不同阶段，工质烧蚀具有不同特点；放电电流的衰减振荡会增加系统能量的损失，增加熔融态PTFE的厚度；减小放电振荡程度可以有效降低由于工质粒子发射带来的工质损失。在理论分析APPT工质特性的基础上，研制了PTFE基掺杂不同含量铝粉、硼粉及碳纤维的改性含能工质，并对采用不同工质以及不同极板构型的APPT系统性能进行了实验研究，研究表明：在一定范围内，增大极板扩张角和采用舌形极板能够有效提升推力器比冲以及系统效率；采用10%Al90%PTFE为工质时，APPT元冲量及系统效率最大。设计了一种新型由激光控制工质烧蚀质量、可采用包括金属在内多种材质为工质的激光耦合脉冲等离子体推力器，并完成了激光辅助烧蚀光路设计和搭建，开展了激光点火试验，对新型激光耦合脉冲等离子体推力器主要性能参数进行了测量，并对新型激光耦合脉冲等离子体推力器结构进行了优化设计，实验结果表明：与传统APPT相比，以Al为工质的激光耦合脉冲等离子体推力器比冲为5970s，效率为50.39%，系统性能提升明显。