● 摘要
附加场磁等离子体推力器（Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster，AF-MPDT）是一种利用等离子体在电磁力和气动力混合加速作用下产生推力的高比冲、大推力和高效率的加速装置，在未来大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。推力器工作的物理过程、加速机制及能量转换过程的研究对于提高推力器性能和优化结构设计具有重要的意义。本文采用Particle-In-Cell和Monte Carlo Collision（PIC-MCC）方法对AF-MPDT的工作过程进行数值模拟，建立了理论和数值模型，研究了附加磁场对物理过程的影响、等离子体加速机制和加速通道内能量转换机制。数值计算模型采用NASA LRC的实验数据完整的100 kW MPDT。物理过程与附加磁场关系的研究得到了粒子的宏观和微观特性，对详细的计算过程和等离子体特性随磁场参数变化的规律进行了细致的描述。附加磁场强度的变化范围为0–0.12 T，计算得到的附加磁场与推力的变化关系与实验数据对比作为验证理论方法的基础。模拟得到了加速区域离子密度、速度和温度分布随附加磁场强度变化的规律。通过这些结果，可得到在推力器放电区附加磁场对物理过程的影响关系。采用PIC方法对放电电流为1000–1500 A，质量流率为0.025–0.1 g/s，附加磁场强度为0.034–0.102 T 的AF-MPDT的物理加速机制进行了建模。加速模型对AF-MPDT进行了基础性研究，得到了以下结论：（1）等离子体加速中，涡旋加速是最主要的贡献者。自身场加速，霍尔加速，气动加速和涡旋加速效应大小的近似比例为1:10:10:100。（2）霍尔加速效应主要由电子涡旋产生，其大小不随附加磁场的变化而变化，随电流的增大有轻微的增加。（3）对所有的工况，自身场加速可忽略不计，气动加速度的贡献随附加磁场、放电电流和质量流率的增大而增加。碰撞等离子体能量传递和转换机制研究建立了单粒子–磁场模型，单粒子–电磁场模型和多粒子–电磁场–碰撞模型。模型中磁场强度范围为0.01–0.05 T，电极电压为22.0–32.0 V，采用PIC方法跟踪电子和离子的运动和能量变化。获得了如下结论：（1）在扩散磁场中，磁化电子的径向和角向能量转换成轴向能量，非磁化离子的角向能量转换成轴向和径向分量。（2）在电磁场中，磁化电子，通过磁场的转换作用，将获得的电能主要转换成轴向动能。对于非磁化离子，传递的电能主要由径向动能分量获得。（3）对于碰撞等离子体，电子动能在一定范围内呈增加–减小的趋势变化，主要因为电子在碰撞中损失能量，然后又在碰撞间隙时从电场获得能量。离子主要从电场中获得能量，部分电能通过碰撞从电子传向离子。离子轴向能量占离子总能量的主要部分。碰撞在等离子体非直接方向能量向有效方向转换过程中起重要作用。实验研究部分进行了AF-MPDT原理样机设计、附加磁场线圈设计和地面模拟系统设计，提出了大功率电源、空心阴极等关键问题的解决方案。