● 摘要
附加线圈产生的聚拢和加速等离子体流束的效应类似物理拉瓦尔喷管作用，称为磁喷管效应。在电推进领域，具有较高比冲和效率的电磁动力等离子体推力器（MPDT）、螺旋波等离子体推力器（HPT）、变比冲磁等离子体火箭（VASIMR）等都利用这种特定形态附加磁场作用于完全电离高速喷射状态的推进剂，以获取更高比冲和推进效率。
磁喷管产生推力需要三个关键的机制，即：磁等离子体能量转化为定向的动能、高效分离以及从等离子体到航天器的动量转移。磁喷管的分离机制对于磁喷管的研究具有重要意义。等离子体中的带电粒子在磁场中被磁化后的有效分离，可以避免等离子体沿着闭合磁力线返回航天器引起轴向速度减小，进而造成推力损失或航天器表面污染。
本文采用数值计算与实验研究相互验证的方式。数值计算研究双极电场对磁喷管分离的影响，采用质点网格法（Particle-In-Cell, PIC）建立模型，对磁喷管内的带电粒子进行仿真，得到双极电场对磁喷管的影响情况。实验研究观测基于附加场MPDT的磁喷管中的分离状况，通过搭建探针测量系统，使用Langmuir三探针阵列，对基于附加场磁等离子体推力器（AF-MPDT）的磁喷管进行诊断研究。在数值计算和实验研究的基础上进行比较，对磁喷管的分离机制进行验证和分析。
数值计算中定性观察到“分离锥”现象，即在z-r平面的粒子数密度分布图上，粒子分布分成两个区域——靠近中心线的呈现收敛分离，而远离中心线的呈现发散分离。双极电场对“分离锥”的形成没有影响，但对“分离锥”的形状有影响，并且双极电场对磁喷管分离具有促进作用。实验研究得到的结论是在放电电流155A，流量44.6mg/s，磁场线圈电流30A（磁喷管喉部磁感应强度约0.0375T）条件下，磁喷管在z=300mm处之前就发生分离。数值计算和实验研究结论均观测到了分离现象，同时通过引入无量纲数的方法对比数值计算和实验研究的结果，定量验证了数值计算的有效性，也验证了双极电场对于磁喷管分离的促进作用。