[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

说明书

本发明公开了一种激光预电离的感应等离子体推力器设计方法，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；所述时间特征尺度为时间量级较大的；确定平面型感应线圈的几何特征，所述几何特征包括内径、外径和匝数。本发明可以通过采用激光预电离的方式，减少平面感应线圈初始电离能量损耗，提高感应等离子体推力器的推进性能。

技术领域

本发明涉及空间电推进领域，具体涉及一种激光预电离的感应等离子体推力器设计方法。

背景技术

电推力器的工作效率受中性气体放电特性、电磁波在等离子体中沉积特性以及在特定构型中电磁能转换为定向运动动能效率的影响。传统电推力器，如霍尔推力器、离子推力器、电弧推力器等，均采用电极产生电子用于电离中性气体或者中和离子羽流，其寿命受到电极腐蚀的影响，且推进剂选择范围窄，性能提升受限。感应式等离子体推力器采用电磁波与等离子体耦合的方式，具有非接触方式产生等离子体和推进剂选择范围广的优点，但采用这种推力产生机制的推力器，在初始击穿阶段的能量利用效率低，气体分布受到极大影响；因此，迫切需要给出一种能够解决上述问题的推力器设计方案。

发明内容

为了解决传统电推力器寿命受制于电极、推进剂选择范围窄、以及击穿过程能量利用效率低的问题，本发明提出一种激光预电离的感应等离子体推力器设计方法，其可降低推进系统对总能量的需求，提升推力器的总工作时间，能够极大拓宽推进工质的选择范围，实现工质的原位补给。

为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种激光预电离的感应等离子体推力器设计方法，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；所述时间特征尺度为时间量级较小的；

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。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，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。

为了使腔体内气体流动稳定，在电离时处于稳定状态，故使用中性气体流动平衡时间确定圆柱形预电离源室的长度和半径。

进一步的，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：