[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

本發明公開了一種激光預電離的感應等離子體推力器設計方法，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；所述時間特征尺度為時間量級較大的；確定平面型感應線圈的幾何特征，所述幾何特征包括內徑、外徑和匝數。本發明可以通過采用激光預電離的方式，減少平面感應線圈初始電離能量損耗，提高感應等離子體推力器的推進性能。

技術領域

本發明涉及空間電推進領域，具體涉及一種激光預電離的感應等離子體推力器設計方法。

背景技術

電推力器的工作效率受中性氣體放電特性、電磁波在等離子體中沉積特性以及在特定構型中電磁能轉換為定向運動動能效率的影響。傳統電推力器，如霍爾推力器、離子推力器、電弧推力器等，均采用電極產生電子用于電離中性氣體或者中和離子羽流，其壽命受到電極腐蝕的影響，且推進劑選擇范圍窄，性能提升受限。感應式等離子體推力器采用電磁波與等離子體耦合的方式，具有非接觸方式產生等離子體和推進劑選擇范圍廣的優點，但采用這種推力產生機制的推力器，在初始擊穿階段的能量利用效率低，氣體分布受到極大影響；因此，迫切需要給出一種能夠解決上述問題的推力器設計方案。

發明內容

為了解決傳統電推力器壽命受制于電極、推進劑選擇范圍窄、以及擊穿過程能量利用效率低的問題，本發明提出一種激光預電離的感應等離子體推力器設計方法，其可降低推進系統對總能量的需求，提升推力器的總工作時間，能夠極大拓寬推進工質的選擇范圍，實現工質的原位補給。

為實現上述目的，本申請的技術方案為：一種激光預電離的感應等離子體推力器設計方法，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；所述時間特征尺度為時間量級較小的；

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。

進一步的，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。

進一步的，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。

進一步的，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。

為了使腔體內氣體流動穩定，在電離時處于穩定狀態，故使用中性氣體流動平衡時間確定圓柱形預電離源室的長度和半徑。

進一步的，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：