激光诱导放电等离子体推进性能研究

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激光诱导放电等离子推力器(Laser-assisted pulsed plasma thruster,LAPPT)综合了激光推进技术和电磁推进技术的优点,在具有低成本、高比冲特性的同时,存在实现大范围冲量调控的可能性。本文设计了一种适用于多工质的LAPPT,对其工作特性和推进性能进行了系统地研究。首先,对激光作用不同工质的等离子体特性进行了研究。使用增强电荷耦合器件对激光等离子羽辉进行成像,并对激光等离子体波前的膨胀速率进行了测量。结果表明,激光作用聚四氟乙烯(PTFE)工质、氧化铝工质和铝工质的等离子体膨胀速率依次递减。使用朗缪尔单探针对激光产生的氧化铝等离子体进行了诊断,在1~6μs间,等离子体空间电势约为8 e V,电子温度存在两个峰值,约为23.3 e V和3 e V,电子密度在1010~1011 cm-3之间。对激光推进性能的测量表明,铝等离子体冲量为1.65μNs,氧化铝等离子体冲量为0.46μNs。其次,对激光诱导放电特性进行了研究,发现放电过程中LAPPT的工质并不影响放电回路的电阻与电感,仅造成放电延时不同。结合电流曲线,对放电过程中等离子体羽辉演化进行了分析,获得了以下结论:从光强角度分析,等离子体辐射强度呈周期性变化,但并不与电流完全同步;从形态角度分析,在小电流条件下,等离子体的运动可视为一个整体,大电流下会分散为絮状;从工质的烧蚀情况分析,PTFE工质在放电过程中烧蚀严重,且电离程度并不高,并不适合作为LAPPT的工质。此外,在理论分析上,本文提出将MULTI仿真的激光等离子体特性与弹丸模型结合,分析了铝工质LAPPT的推进性能。结果表明,数值仿真的元冲量和冲量耦合系数与实验吻合较好,推进效率随放电电压变化趋势与实验一致。最后,为了探究电极大小对LAPPT推进性能的影响,使用法拉第筒测量了不同极板组合的LAPPT离子飞行时间谱,分析发现放电过程中推力的贡献主要来源于电弧对中性物质的二次电离。对LAPPT推进性能进行估算,在放电电压450 V、极板宽度为5 mm的条件下,以氧化铝为工质的LAPPT推力达到最大值,此时元冲量约7.9μNs,比冲约6650±350 s,冲量耦合系数约38.6μNs/J,推进效率约为10.4%。
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