微腔放电推进器放电特征的数值模拟及实验研究

随着微纳卫星的迅猛发展和成功应用，运行功率在10W以下的电推进器研制受到广泛关注并成为新的研究热点之一。微腔放电推进器（MCDT）是一种先进、新型的微电热式推进装置，已实际用于微纳卫星的动力系统。开展MCDT放电特征的数值模拟及实验研究，是明晰MCDT工作机理和成功设计MCDT的重要研究内容。本项目针对MCDT中微腔放电的物理过程建立较完善的二维自洽场物理模型，其中等离子体的产生和输运过程采用漂移-扩散近似流体模型进行处理，并考虑中性气体的流动和加热，同时开展MCDT的放电实验，重点研究MCDT中非平衡等离子体与可压缩流动相互作用、放电特征和过程、羽流场分布等，进一步预示MCDT的比冲和推力，并研究不同输入功率和压强/流量条件下，MCDT伏安特性、等离子体特性参数和推进器宏观性能的变化规律，从而为进一步优化推进器的运行参数和结构设计提供理论依据，为我国自主研制高性能MCDT提供理论指导。

近年来，微空心阴极放电（MHCD）技术的发展为研制适用于微小卫星的先进新型微推进器提供了可能。结合微空心阴极的自身结构和放电特性，可设计为一种新颖的微腔放电推进器（MCDT），利用纳星上可提供的1~10 W的功率而提高微推进装置的性能。基于求解漂移-扩散近似的电子和离子的输运方程，再与包括空间电荷在内的电场的泊松方程以及中性气体的温度方程相耦合，给出了放电的二维自洽流体模型，用于研究MHCD的过程和特性。通过数值计算得出了氩气压强为100 Torr时，MHCD初始阶段放电过程中电势分布、电子数密度分布，离子数密度分布和电子温度分布等重要参数。从电势云图中可以明显看到放电最初始阶段微空心阴极内主要为轴向电场，之后由于阴极鞘层的形成而转变为径向电场，径向电场加速孔内电子在阴极鞘层间的来回运动，增大了电离过程。电子数密度和离子数密度变化规律相似，最初始阶段峰值密度位于孔内阴极与电介质附近和阳极附近两个区域，随着时间的变化，阳极处的电子数密度减小，峰值向孔中心线上的阴极区域推移，峰值密度达到1012~1013 cm-3。氩气压强为100 Torr时，气体温度范围主要在400~600 K之间，加热机制由离子功率沉积决定，且气体温度随着电子/离子数密度的增加而增大，该结论与实验结果相一致。数值模拟给出了实验研究中难以观测到的初始阶段的放电变化过程，合理的解释了基本原理。实验研究了MHCD的电流-电压特性。结果认为，在较低的压强下（40~60 Torr），整个电流-电压特性分为反常辉光放电（典型的电流值小于0.3 mA）、自脉冲机制（平均电流的上限值约为1 mA）和正常辉光放电三个区间，在更高的压强条件下，未观测到反常辉光放电区域，放电直接进入自脉冲机制。通过实验研究和计算结果可以研制成MCDT推进器，该推进器的工作原理是采用直流MHCD电离并加热通入放电室内的工质气体，被加热的气体再通过拉法尔微喷管膨胀喷出产生推力。由于在微放电等离子体中加热了工质气体，因此其性能可大大高于冷气推进。初步计算得出当孔直径为100 μm，放电室压强为50~750 Torr，输入功率为0.15~2 W，流量范围在0.15~1.5 mg/s时，推进器的推力范围为几十~上千μN，以氩气为工质比冲量级约为600~1000 N•s/kg，以氦气为工质比冲量级约为3000 N•s/kg。