[發明專利]一種激光預電離的感應等離子體推力器設計方法

在審

• 申請號: 202011508635.4
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112613245A
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 成玉國;吳訓濤;楊培源
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍91550部隊
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;F03H1/00;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 大連智高專利事務所(特殊普通合伙) 21235
• 代理人: 蓋小靜

1.一種激光預電離的感應等離子體推力器設計方法，其特征在于，包括：

通過中性氣體供應速率、激光能量和等離子體流動特性，將中性氣體流動平衡時間、電子與重粒子間的碰撞特征時間進行比較，選擇時間量級較大的確定圓柱形預電離源室的長度和半徑；

根據中性氣體在圓柱形預電離源室的流動特性和物理過程的時間特征尺度，確定激光器波長、周期以及單脈沖能量；

獲取平面感應線圈的幾何特征，所述幾何特征包括內徑、外徑和匝數。

2.根據權利要求1所述一種激光預電離的感應等離子體推力器設計方法，其特征在于，還包括：應用磁流體力學模型，驗證激光預電離的感應等離子體推力器推進性能的提升。

3.根據權利要求1所述一種激光預電離的感應等離子體推力器設計方法，其特征在于，所述中性氣體流動平衡時間為：

其中，n_g⁰，n_g為中性粒子時變數密度，β為與中性氣體供應速率相關的系數，k_l為激光電離過程造成的中性粒子能量損失，γ為圓柱形預電離源室下游出口端流動造成的源室中性粒子損失；根據上式可知，在無電離情況下，中性氣體流動平衡時間為數十毫秒。

4.根據權利要求1所述一種激光預電離的感應等離子體推力器設計方法，其特征在于，所述電子與重粒子間的碰撞特征時間為：

其中，m_e為電子質量，k為玻爾茲曼常數，T_e為電子溫度，n_i為離子數密度，n_e為電子數密度，e為單位電荷；根據上式可知，電子與重粒子間的碰撞特征時間為微秒量級。

5.根據權利要求1所述一種激光預電離的感應等離子體推力器設計方法，其特征在于，根據中性氣體在圓柱形預電離源室的流動特性和物理過程的時間特征尺度，確定激光器波長、周期以及單脈沖能量，具體為：

采用可激發532nm波長的釹玻璃YAG激光器，根據電子與重粒子間的碰撞特征時間，確定激光波長為納秒量級，利用光學鏡片組，將激光匯聚成半徑為一定數值的光點，使得擊穿區域小于圓柱形預電離源室的尺度，產生的核心等離子體通過熱輻射和熱傳導電離其余中性氣體。

6.根據權利要求1所述一種激光預電離的感應等離子體推力器設計方法，其特征在于，獲取平面感應線圈的幾何特征，所述幾何特征包括內徑、外徑和匝數，具體為：

以圓柱形預電離源室的直徑作為感應線圈內徑，采用線圈-等離子體耦合距離確定線圈外徑，所述線圈-等離子體耦合距離計算公式為：

其中,r_co、r_ci、r_cso(z)、r_csi分別為感應線圈外徑、感應線圈內徑、電流環外徑、電流環內徑，α為螺旋形電流環的角向修正系數，M_{c_cs}為線圈和電流片微元的互感；針對該推進方式中等離子體的流動特性，引入r_cso(z)變量作為電流環積分的半徑，隨著電流環沿軸向膨脹，r_cso值不斷增大。

7.根據權利要求6所述一種激光預電離的感應等離子體推力器設計方法，其特征在于，在感應線圈內徑確定情況下，線圈-等離子體耦合距離隨感應線圈外徑的變化，結合脈沖電容器瞬時放電的方式，分析等離子體感應電流的角向均勻性與線圈匝數的關系，確定感應線圈采用匝數。