激光支持的脉冲等离子体推力器理论、实验与仿真研究

摘要

论文提出并设计实现了一种新型的激光支持的脉冲等离子推力器（ Laser-sustained Pulsed Plasma Thruster，LS-PPT），以改进现有脉冲等离子体推力器、激光烧蚀等离子体推力器等存在的不足，为进一步提高等离子体推力器的工作性能探索了新的途径和方向。全文主要工作包括：
　　从元冲量、比冲、推进效率、工质利用率等表征推力器推进性能的参数出发，提出推力器的设计目标和方案。利用理论分析对推力器推进性能进行预估，分析了影响 LS-PPT推进性能的主要因素，对该型推力器系统中的储能元件、激光光源、工质、放电加速通道以及电源等部件分别设计，研制出 LS-PPT实验原理样机。
　　为了开展 LS-PPT的推进性能实验测量，设计开发了高精度的微推力/微冲量测量系统，搭建了 LS-PPT的地面实验系统。首次提出了基于安培力的电磁标定方法，解决了推力台架的高精度标定问题。通过标定实验以及对标定过程中存在误差的分析，验证了基于安培力的电磁标定方法具有较高的标定精度。设计了基于PSD的新型扭摆式微推力测量系统，给出了该系统的工作原理及结构组成，对设计过程中存在的问题提出了相应的解决方案。首次提出基于共振的微冲量测量方法，并利用所研制的系统开展了微冲量测量实验。相关实验表明，在微小冲量测量的方面，本文所实现的基于共振的微冲量测量方法比原有的单脉冲测量模式具有更高的精度。
　　开展了 LS-PPT推进性能实验测试，分析了 LS-PPT的构型、电容储能、工质种类等对推力器推进性能的影响。实验验证了 LS-PPT方案的可行性和其工作性能的先进性。在LS-PPT极板间距为30mm、陶瓷喷管出口距离阴极板为15mm条件下，采用金属铝工质的LS-PPT在电容储能约25J时，元冲量约为600μN·s，对应的比冲约7838s，对应的推进效率约89.8％。分别对“激光点火的APPT”、“无陶瓷隔离板的LS-PPT”以及“安装陶瓷隔离板的LS-PPT”进行推进性能实验测量，发现推力器工质类型、推力器几何构型和电气参数等均对 LS-PPT的推进性能产生影响，主要有：（1）金属铝工质比高聚物PTFE工质可使LS-PPT获得更好的推进性能；（2）陶瓷隔离板的安装有利于 LS-PPT的工作稳定性，也可提高推力器的推进性能；（3）在电容储能0~25J范围内，几何参数 d1存在一个介于20mm和40mm的最优值，几何参数d2即放电加速通道出口相对于阴极板的垂直距离存在一个介于10mm和20mm的最优值，使得推力器在其他条件不变时其推进性能达到最高。实验发现，激光聚焦状况、激光参数等可能对推力器的单脉冲烧蚀质量产生较大影响。在本文设置的相同激光参数条件下，PTFE工质比金属铝的单脉冲烧蚀质量高约1~2倍。另外，实验测量发现，LS-PPT的陶瓷元件如陶瓷喷管和陶瓷隔离板等在 LS-PPT的工作过程中烧蚀质量相对较小，本文认为可以忽略。
　　外加磁场可提升 LS-PPT的推进性能。实验结果表明，外加磁场可将推力器元冲量提高到原来的近两倍，该结果与 Zaidi等人的实验和理论研究结果相符合。另外，对 PTFE和金属铝工质的对比发现，在其他条件相同时，采用 PTFE工质的LS-PPT可获得更高的元冲量，而采用金属铝工质的LS-PPT可获得更高的比冲和推进效率。
　　采用光谱诊断方法对 LS-PPT放电加速通道内的等离子体电磁加速特性进行了诊断和测量研究。实验发现：（1）在较高的充电电压下，放电通道内工质放电和电离能力更强，会生成更多高价铝离子；（2）激光烧蚀工质产生的等离子体运动到陶瓷喷管深度为5mm的位置时，其速度约为3km/s；（3）在1500V和2000V充电电压下，等离子体可分别被加速到16.7km/s和66.7km/s，对应的推力器比冲可达1670s和6670s，对应的推进效率分别达到8.9~15.4%和72~91%；以上由光谱诊断方法得到的结果与微冲量测量方法得到的推进性能参数基本吻合；（d）在1500V等较低的充电电压下，极板过长不利于电磁加速。因此，优化设计推力器时须综合考虑几何参数和电气参数的匹配问题。
　　基于以上实验结果，论文对 LS-PPT工作过程中强激光烧蚀工质生成等离子体以及等离子体的膨胀流动等基本物理过程进行了建模和仿真研究。
　　首先，对高聚物 PTFE强激光烧蚀过程进行了数值模拟。在仿真模型中考虑了工质的液相、固相双层动态结构，将 PTFE的烧蚀划分为两个烧蚀阶段。仿真模型同时考虑了热传导的非傅里叶效应、靶材对激光的反射以及靶材对激光能量的体吸收。数值模拟发现，非傅里叶效应、激光强度、吸收系数对靶材的烧蚀和相变过程影响较大。
　　其次，对纳秒脉宽的强激光烧蚀铝的物理过程进行了建模和仿真。研究了在纳秒脉宽强激光辐照下铝的非傅里叶热传导和相变烧蚀过程，同时考虑了激光烧蚀中的热蒸发和相爆炸机制。对于超强的激光烧蚀问题，非傅里叶效应不可忽略。因此，研究中考虑了非傅里叶效应对激光烧蚀的影响。为了求解相变、烧蚀这类问题，建立了基于焓方法的非傅里叶热传导方程，使得相关计算更加简便易行。计算过程中，入射激光强度采用真实的实验测量值，并将铝等离子体的动态吸收和靶材烧蚀过程耦合，求解得到了铝等离子体的屏蔽效应、激光参数、非傅里叶效应等因素对烧蚀过程的影响规律。计算结果表明，在求解包含固-液和液-气相变的复杂相界面问题时，焓方法简便易行，靶材烧蚀的激光能量密度阈值计算结果与实验结果符合较好。另外，通过数值模拟，还研究了激光能量密度、激光波长、背景气体压力对烧蚀过程的影响规律。
　　最后，对陶瓷喷管内对激光烧蚀铝等离子体的生成和流动进行了理论建模和数值计算研究。在理论模型中考虑了等离子体的热化学非平衡，采用了两温度模型表征平动与转动能量模式的非平衡，计算得到了铝等离子体的生成与流动过程中的推力输出特性，计算结果与相关实验结果基本吻合，验证了模型和计算方法的正确性和可行性。

目录

声明

第一章绪 论

1.1 研究背景与对象

1.2 激光电磁多物理场加速与推进技术国内外研究现状及前沿进展

1.3 论文研究内容和章节安排

第二章 激光支持的脉冲等离子体推力器基本理论和设计

2.1引 言

2.2 设计目标与方案

2.3 LS-PPT工作原理

2.4 LS-PPT推进性能理论预估

2.5 本章小结

第三章 新型微推力/微冲量测量方法研究

3.1引 言

3.2 基于脉冲安培力的新型电磁标定方法研究

3.3 扭摆微冲量测量系统设计与实现

3.4 基于共振理论和扭摆技术的高精度微冲量测量方法

3.5 本章小结

第四章 推进性能测量与电磁加速特性光谱诊断

4.1引 言

4.2 激光点火的APPT可行性实验测试

4.3 无陶瓷隔离板的LS-PPT推力器性能实验测量

4.4 安装陶瓷隔离板的LS-PPT推进性能实验测量

4.5 外加磁场的LS-PPT推进性能实验测量

4.6 推力器电磁加速特性光谱诊断研究

4.7 本章小结

第五章 PTFE的强激光烧蚀特性数值模拟研究

5.1引 言

5.2 数学模型

5.3 数值计算方法

5.4 计算结果和讨论

5.5 本章小结

第六章 铝的纳秒激光烧蚀特性数值模拟研究

6.1引 言

6.2 基于焓方法的非傅里叶热传导和相爆炸模型

6.3 数值计算方法

6.4 计算结果与讨论

6.5 本章小结

第七章 陶瓷喷管内激光烧蚀铝等离子体流场数值模拟研究

7.1引 言

7.2 铝等离子体流体动力学建模

7.4 数值计算方法

7.5 计算结果与讨论

7.6 本章小结

第八章 结论与展望

本文主要工作

主要创新点

工作展望和设想

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

学术论文

专利申请

参加的科研项目

附录A 数值计算方法

A.1 无量纲化

A.2 坐标变换

A.3 Jacobian矩阵的求解

A.4 差分离散