CN112613245B - 一种激光预电离的感应等离子体推力器设计方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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，ng 0，ng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，kl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，me为电子质量，k为玻尔兹曼常数，Te为电子温度，ni为离子数密度，ne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：
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，从而保证气体的宏观流动不受激光工作的影响。
更进一步的，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，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,rco、rci、rcso(z)、rcsi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，Mc_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rcso(z)变量作为电流环积分的半径，随着电流环沿轴向膨胀，rcso值不断增大。
更进一步的，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。
作为更进一步的，所述感应线圈外径的获取方式为：
通过等离子体的输运性质，获得流动过程中的动量、质量和能量输运特性，对于电导率，采用基于双组元扩散的分析方法计算，具体为:
式中，e为单位电荷，n为总粒子数密度，T为动力学温度，Zj,mj,nj分别为组分j的电量、质量和数密度，ρ为等离子体密度，k为玻尔兹曼常数，Zi为组分i的电量，N为组分数；式中/>由下式得出：
式中，υ表示组分数量,M为Chapmann-Enskog最高近似阶数，m,p,h,k为与组分相关的量；为与Sonine多项式相关量，cjp为双组元扩散系数，δmp、δhj、δhi、δij均为Kronecker函数，根据块对角矩阵运算公式：
式中M11，M21，M12，M22分别为nM×nM，mM×nM，nM×kM，mM×kM阶矩阵，得出四阶近似的表达式为：
式中δLHS＝[δhj-δhi 0 0]T,δ＝[δij 0 0 0]；
将输运系数带入磁流体力学模型仿真获得不同输入条件(脉冲能量和推进剂质量)下的电流环外径变化特征，取统计平均值拟合外径的轴向曲线。
作为更进一步的，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，具体为：根据流动特征时间短、感应耦合能量注入的特点，改进通用磁流体力学方程：
质量守恒：
动量守恒：
能量守恒：
磁感应方程:
其中，ρ,t,V,p,J,B,σe分别为等离子体密度、放电时间、速度、压力、电流密度、磁感应强度、电导率，μ0为真空磁导率，et为总比内能、Qrad为辐射密度，针对上述公式，在空间上采用M-AUSMPW+格式离散，时间上采用三阶TVD-RK方法，推进求解获取等离子体流场不同时刻的空间分布特征，计算推力F＝J×B，并积分获得推力器总冲。
本发明与已有的方法，在以下方面存在优势：
(1)摒弃了传统采用电极产生电子的推进方式，避免出现器件的腐蚀以及随着时间增加，推进效率下降问题，从而提高推进系统的寿命；
(2)工质选择范围大为拓宽，采用钕玻璃YAG激光器激发532nm波长的激光，其与CO2、H2O、NH3、CH4、H2、N2等多原子、双原子气体分子兼容性较好，从而可实现行星上的原位补给，降低探测器携带的推进剂质量，提高携带的有效载荷质量；
(3)采用激光预电离，其效率较感应耦合电离方式进一步提升，实现在更低功率水平下，获得更优的等离子体参数，降低推进系统对输入能量的要求。
附图说明
图1为采用本发明方法设计的感应等离子体推力器构型图；
图2为平面感应线圈正视图与侧视图；
图3为电流环外径获取方式流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：以此为例对本申请做进一步的描述说明。
为提升放电初始的能量利用率，改善等离子体的分布特性，提高感应耦合方式的推进性能，利用预电离装置产生具有一定数密度和初始温度的等离子体，提高主能量转化效率是提高推力器推进性能的有效手段，故本申请提供一种激光预电离的感应等离子体推力器设计方法，其具体方案为：
步骤一、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；
所述中性气体流动平衡时间为：
其中，ng 0，ng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，一般为10-2s-1量级，kl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一般为数十毫秒，流动速率约为数十米/秒。
所述电子与重粒子间的碰撞特征时间为：
其中，me为电子质量，k为玻尔兹曼常数，Te为电子温度，ni为离子数密度，ne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约为微秒量级。
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。
步骤二、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，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(可以为5mm)的光点，使得击穿区域小于圆柱形预电离源室的尺度(如长度、直径)，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，从而保证气体的宏观流动不受激光工作的影响。
步骤三、综合预电离源室几何构型、线圈与等离子体耦合特性、电流激励脉冲特性，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,rco、rci、rcso(z)、rcsi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，Mc_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rcso(z)变量作为电流环积分的半径，随着电流环沿轴向膨胀，rcso值不断增大。
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。
所述感应线圈外径的获取方式可以为：
通过等离子体的输运性质，获得流动过程中的动量、质量和能量输运特性，对于电导率，采用基于双组元扩散的分析方法计算，具体为:
式中，e为单位电荷，n为总粒子数密度，T为动力学温度，Zj,mj,nj分别为组分j的电量、质量和数密度，ρ为等离子体密度，k为玻尔兹曼常数，Zi为组分i的电量，N为组分数；式中/>由下式得出：
式中，υ表示组分数量,M为Chapmann-Enskog最高近似阶数，m,p,h,k为与组分相关的量；为与Sonine多项式相关量，cjp为双组元扩散系数，δmp、δhj、δhi、δij均为Kronecker函数，根据块对角矩阵运算公式：
式中M11，M21，M12，M22分别为nM×nM，mM×nM，nM×kM，mM×kM阶矩阵，得出四阶近似的表达式为：
式中δLHS＝[δhj-δhi 0 0]T,δ＝[δij 0 0 0]；
将输运系数带入磁流体力学模型仿真获得不同输入条件(脉冲能量和推进剂质量)下的电流环外径变化特征，取统计平均值拟合外径的轴向曲线。
步骤四、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，具体为：根据流动特征时间短、感应耦合能量注入的特点，改进通用磁流体力学方程：
质量守恒：
动量守恒：
能量守恒：
磁感应方程:
其中，ρ,t,V,p,J,B,σe分别为等离子体密度、放电时间、速度、压力、电流密度、磁感应强度、电导率，μ0为真空磁导率，et为总比内能、Qrad为辐射密度，针对上述公式，在空间上采用M-AUSMPW+格式离散，时间上采用三阶TVD-RK方法，推进求解获取等离子体流场不同时刻的空间分布特征，计算推力F＝J×B，并积分获得推力器总冲，如果能量利用效率提升，所述推力器总冲变大。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。
Claims (6)
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，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,rco、rci、rcso(z)、rcsi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，Mc_cs为线圈和电流片微元的互感；针对推进方式中等离子体的流动特性，引入rcso(z)变量作为电流环外径，随着电流环沿轴向膨胀，rcso值不断增大；
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；
所述感应线圈外径的获取方式为：
通过等离子体的输运性质，获得流动过程中的动量、质量和能量输运特性，对于电导率，采用基于双组元扩散的分析方法计算，具体为:
式中，e为单位电荷，n为总粒子数密度，T为动力学温度，Zj,mj,nj分别为组分j的电量、质量和数密度，ρ为等离子体密度，k为玻尔兹曼常数，Zi为组分i的电量，N为组分数；式中/>由下式得出：
式中，υ表示组分数量,M为Chapmann-Enskog最高近似阶数，m,p,h,k为与组分相关的量；为与Sonine多项式相关量，cjp为双组元扩散系数，δmp、δhj、δhi、δij均为Kronecker函数，根据块对角矩阵运算公式：
式中M11，M21，M12，M22分别为nM×nM，mM×nM，nM×kM，mM×kM阶矩阵，得出四阶近似的表达式为：
式中δLHS＝[δhj -δhi 0 0]T,δ＝[δij 0 0 0]；
将输运系数带入磁流体力学模型仿真获得不同输入条件下的电流环外径变化特征，取统计平均值拟合外径的轴向曲线。
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，ng 0，ng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，kl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，ne为电子数密度；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，me为电子质量，k为玻尔兹曼常数，Te为电子温度，ni为离子数密度，ne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2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，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，具体为：根据流动特征时间短、感应耦合能量注入的特点，改进通用磁流体力学方程：
质量守恒：
动量守恒：
能量守恒：
磁感应方程:
其中，ρ,t,V,p,J,B,σe分别为等离子体密度、放电时间、速度、压力、电流密度、磁感应强度、电导率，μ0为真空磁导率，et为总比内能、Qrad为辐射密度，针对质量守恒公式、动量守恒公式、能量守恒公式、磁感应方程公式，在空间上采用M-AUSMPW+格式离散，时间上采用三阶TVD-RK方法，推进求解获取等离子体流场不同时刻的空间分布特征，计算推力F＝J×B，并积分获得推力器总冲。
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| US9145216B2 (en) * | 2011-08-31 | 2015-09-29 | Space Systems/Loral, Llc | Unified chemical electric propulsion system |
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2020
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Patent Citations (4)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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