[发明专利]一种激光预电离的感应等离子体推力器设计方法

权利要求书

1.一种激光预电离的感应等离子体推力器设计方法，其特征在于，包括：

通过中性气体供应速率、激光能量和等离子体流动特性，将中性气体流动平衡时间、电子与重粒子间的碰撞特征时间进行比较，选择时间量级较大的确定圆柱形预电离源室的长度和半径；

根据中性气体在圆柱形预电离源室的流动特性和物理过程的时间特征尺度，确定激光器波长、周期以及单脉冲能量；

获取平面感应线圈的几何特征，所述几何特征包括内径、外径和匝数。

2.根据权利要求1所述一种激光预电离的感应等离子体推力器设计方法，其特征在于，还包括：应用磁流体力学模型，验证激光预电离的感应等离子体推力器推进性能的提升。

3.根据权利要求1所述一种激光预电离的感应等离子体推力器设计方法，其特征在于，所述中性气体流动平衡时间为：

其中，n_g⁰，n_g为中性粒子时变数密度，β为与中性气体供应速率相关的系数，k_l为激光电离过程造成的中性粒子能量损失，γ为圆柱形预电离源室下游出口端流动造成的源室中性粒子损失；根据上式可知，在无电离情况下，中性气体流动平衡时间为数十毫秒。

4.根据权利要求1所述一种激光预电离的感应等离子体推力器设计方法，其特征在于，所述电子与重粒子间的碰撞特征时间为：

其中，m_e为电子质量，k为玻尔兹曼常数，T_e为电子温度，n_i为离子数密度，n_e为电子数密度，e为单位电荷；根据上式可知，电子与重粒子间的碰撞特征时间为微秒量级。

5.根据权利要求1所述一种激光预电离的感应等离子体推力器设计方法，其特征在于，根据中性气体在圆柱形预电离源室的流动特性和物理过程的时间特征尺度，确定激光器波长、周期以及单脉冲能量，具体为：

采用可激发532nm波长的钕玻璃YAG激光器，根据电子与重粒子间的碰撞特征时间，确定激光波长为纳秒量级，利用光学镜片组，将激光汇聚成半径为一定数值的光点，使得击穿区域小于圆柱形预电离源室的尺度，产生的核心等离子体通过热辐射和热传导电离其余中性气体。

6.根据权利要求1所述一种激光预电离的感应等离子体推力器设计方法，其特征在于，获取平面感应线圈的几何特征，所述几何特征包括内径、外径和匝数，具体为：

以圆柱形预电离源室的直径作为感应线圈内径，采用线圈-等离子体耦合距离确定线圈外径，所述线圈-等离子体耦合距离计算公式为：

其中,r_co、r_ci、r_cso(z)、r_csi分别为感应线圈外径、感应线圈内径、电流环外径、电流环内径，α为螺旋形电流环的角向修正系数，M_{c_cs}为线圈和电流片微元的互感；针对该推进方式中等离子体的流动特性，引入r_cso(z)变量作为电流环积分的半径，随着电流环沿轴向膨胀，r_cso值不断增大。

7.根据权利要求6所述一种激光预电离的感应等离子体推力器设计方法，其特征在于，在感应线圈内径确定情况下，线圈-等离子体耦合距离随感应线圈外径的变化，结合脉冲电容器瞬时放电的方式，分析等离子体感应电流的角向均匀性与线圈匝数的关系，确定感应线圈采用匝数。