（航空宇航科学与技术专业论文）脉冲等离子体推力器羽流数值模拟与实验研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 脉冲等离子体推力器( p u l s e dp l a s m at h r u s t e r , p p t ) 作为一种极具竞争力的电 推进系统，具有比冲高、功耗低、结构简单、重量轻、可靠性高等优点，可以广 泛应用于微小卫星的姿态控制、位置保持、阻力补偿、卫星编队飞行等任务，是 近年来微小卫星推进技术研究的热点和重要方向。 将p p t 集成运用到航天器上需要掌握羽流特性与分布规律，评估羽流对航 天器的潜在影响。本文使用一种混合算法对p p t 羽流进行了模拟，以直接模拟 蒙特卡罗( d i r e c ts i m u l a t i o nm o n t e c a r l o ，d s m c ) 方法模拟中性粒子的运动和碰撞， 以粒子网格法( p a r t i c l e i n - c e l l ，p i c ) 模拟离子的运动，将电子模拟为无质量流体。 模拟结果与实验结果比较表明，算法有效合理，能够用于对p p t 羽流进行预测 和分析。研究结果表明：放电过程中羽流不断膨胀加速，中性粒子以一个相对紧 凑的气团膨胀，而离子在轴线方向上会出现两个有着不同运动速度的高密度区域； 羽流场中存在大量由电荷交换碰撞产生的低速离子和高速的中性粒子；离子和中 性粒子存在回流污染，受电场的影响，离子比中性粒子的膨胀区域大，而且离子 的回流速度大于中性粒子的回流速度。 阐述了朗缪尔探针诊断的基本原理，讨论了使用朗缪尔单探针诊断p p t 非 稳态羽流的具体方法，设计了用于p p t 羽流诊断的朗缪尔探针触发电路。使用 四极杆质谱仪对p p t 羽流的组成成分进行了分析测量，结果表明羽流中存在c 、 f 、c f 、c f 2 、c f 3 和c f 4 等推进剂烧蚀产物及羽流溅射物。采用高速摄影仪拍摄 了p p t 放电通道内的放电图像，对图像进行分析显示，p p t 工作过程中存在滞 后蒸发现象；正向电流放电阶段产生的推力大于电流反向后的推力；羽流中的离 子偏向阴极喷出，推力器会产生一个指向阳极的推力分量。 主题词：脉冲等离子体推力器、羽流、d s m c 、p i c 、朗缪尔探针、质谱分 析、高速摄影 第v i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 a b s t r a c t a sac o m p e t i t i v ee l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e m ，p u l s e dp l a s m at h r u s t e r ( p p t ) h a s c o m b i n e da d v a n t a g e so fh i g hs p e c i f i ci m p u l s e ，l o wp o w e r , s i m p l es t m c t u r e ，l i g h t w e i g h t ，h i 曲r e l i a b i l i t ya n ds oo n i ti sc o n s i d e r e da sa i la t t r a c t i v ep r o p u l s i o no p t i o n f o rav a r i 啊o fa p p l i c a t i o n s i n c l u d i n ga l t i t u d ec o n t r o l ，s t a t i o n - k e e p i n g ，d r a g c o m p e n s a t i o na n dc o n s t e l l a t i o nc o n t r o lo ff o r m a t i o nf l i g h t i nr e c e n ty e a r s ，p p th a s b e c o m et h er e c i p i e n to fm u c hi n t e r e s ti nt h em i c r o s a t e l l i t ec o m m u n i t y i n t e g r a t i o n o fp p to n b o a r ds p a c e c r a f t r e q u i r e s t h e m a s t e r y o fp l u m e s c h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s t r i b u t i o n ，t h ee v a l u a t i o no f p o t e n t i a lp l u m e s p a c e c r a f t i n t e r a c t i o n s i nt h i st h e s i s ，ah y b r i dm o d e li se m p l o y e dt os i m u l a t et h eu n s t e a d y p l a s m ap l u m ee x p a n s i o np r o c e s s e so fan a s ag l e n nr e s e a r c hc e n t e rp p t n e u t r a l p l u m es p e c i e s a r em o d e l e d 、i t ht h ed i r e c ts i m u l a t i o nm o n t e - c a r l o ( d s m c ) m e t h o d i o np l u m es p e c i e sa r em o d e l e dw i t ht h ep a r t i c l e i n - c e l l ( p i c ) m e t h o d e l e c t r o n sa r em o d e l e da sam a s s l e s sf l u i d t h e e f f e c t i v e n e s sa n dv a l i d i t yo ft h i s m o d e la r ed e m o n s t r a t e db yc o m p a r i s o nt op r e v i o u s l yp u b l i s h e de x p e r i m e n t a ld a t a s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ee x p a n s i o no fn e u t r a ls p e c i e sa sar e l a t i v e l yc o m p a c tp u f f o fg a s ，t h ee m e r g e n c eo ft w oh i g h - c o n c e n t r a t i o nr e g i o n so fi o n sw i t hd i f f e r e n t v e l o c i t i e s ，t h eg e n e r a t i o no fs l o wi o n sa n df a s tn e u t r a l sd u et oc h a r g ee x c h a n g e c o l l i s i o n s ，a n dt h eg e n e r a t i o no fn e u t r a la n di o nb a c k f l o w t h es i m u l a t i o na l s or e v e a l s t h a t ，a sar e s u l to fe l e c t r i cf i e l de 船c t s ，i o n sh a v eg r e a t e rv e l o c i t i e sr e l a t i v et on e u t r a l s i nt h eb a c k f l o wa r e a , a n dt h ec h a r g e ds p e c i e sa r es p r e a do v e ral a r g e rr e g i o nt h a nt h e n e u t r a l s t h eb a s i cp r i n c i p l eo fl a n g m u i rp r o b ed i a g n o s t i c si sp r e s e n t e d ，a n dt h es p e c i f i c m e t h o d so fm e a s u r i n gt h eu n s t e a d yp p tp l u m eu s i n gas i n g l ep r o b ea r ed i s c u s s e d ； f u r t h e r m o r e ，at r i g g e rc i r c u i ti sd e s i g n e dt oc a r r yo u tt h ed i a g n o s i s t h ec o m p o s i t i o n o ft h ep p tp l u m ei ss t u d i e db ym e a n so fm a s ss p e c t r u ma n a l y s i s ，i d e n t i f y i n gc ，f ，c f , c f 2 ，c f 3 ，c f 4a n dv a r i o u ss p u t t e r i n gm a t e r i a l s h i g hs p e e dp h o t o g r a p h yi sc o n d u c t e d i n s i d et h ee l e c t r o d ec h a n n e lt oo b s e r v et h ed i s c h a r g ep r o c e s s a na n a l y s i so ft h e s e i m a g e ss h o w st h a t ，p r o p e l l a n td e c o m p o s e sa n da b l a t e sa f t e rd i s c h a r g ef o ral o n gt i m e ， t h r u s tg e n e r a t e di nt h ep o s i t i v ec u r r e n tp h a s ei sl a r g e rc o m p a r e d 、析t ht h er e v e r s e c u r r e n tp h a s e ，t h ep l u m ei sd r a w nt o w a r d st h ec a t h o d ee l e c t r o d e ，p r o d u c i n gat h r u s t c o m p o n e n tt o w a r d st h ea n o d ee l e c t r o d e 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 k e yw o r d s ：p u l s e dp l a s m at h r u s t e r , p l u m e ，d s m c ，p i c ，l a n g m u i rp r o b e ， m a s ss p e c t r u ma n a l y s i s ，h i g hs p e e dp h o t o g r a p h y 第v i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图3 2 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图目录 羽流污染示意图2 平行板电极尾部馈送p p t 3 d s m c 方法程序流程图1 2 p i c 方法程序流程图2 0 p p t 羽流d s m c p i c 流体混合模拟流程图2 5 g r cp p t 及探针测点位置2 8 羽流模拟区域2 9 电子数密度实验与数值模拟结果对比( e = 2 0 j ，0 = 1 0 0 ) 3 3 数密度分布( e - 2 0 j ，t = l 1 0 p ) 3 5 数密度分布( e - 2 0 j ，t = l 2 p ) 3 6 数密度分布( e = 2 0 j ，仁p ) 3 7 数密度分布( e = 5 j ，卢l 2 p ) 3 7 数密度分布( e = 5 j ，御) 3 8 数密度分布( e = 4 0 j ，仁1 2 p ) 3 9 数密度分布( e = 4 0 j , t = p ) 3 9 电势分布( e = 2 0 j ) 4 0 电势分布( e = 5 j ) 。4 1 电势分布( e = 4 0 j ) 4 1 速度相图( e = 2 0 j ，t = l 10 p ) 4 2 速度相图( e - - 2 0 j ，t = l 2 p ) 4 3 速度相图( e _ 2 0 j ，仁p ) 4 3 速度相图( e = 5 j ，t = l 1 0 p ) 4 3 速度相图( e = 5 j t i 2 p ) 4 4 速度相图( e = 5 j 。产p ) 4 4 速度相图( e = 4 0 j ，t = l l o p ) 4 4 速度相图( e = 4 0 j ，t = l 2 p ) 4 5 速度相图( e = 4 0 j ，御) 4 5 等离子体鞘层和预鞘层4 8 探针的伏安特性曲线5 0 时间电压电流曲面5 2 触发电路图5 4 双极型5 5 5 定时器5 5 单稳态触发器波形图5 6 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 触发电路输出波形5 8 触发电路输出与p p t 主放电波形。5 8 四极杆质谱仪的结构原理图5 9 质谱扫描谱图6 0 高速摄影实验系统6 2 单次放电过程高速摄影图像6 2 高速摄影图像对应的拍摄时间6 2 放电前1 0 1 x s 摄影图像6 2 工作过程全周期叠加成像6 3 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1国外已应用或进行空间验证的p p t 4 表2 1p p t 羽流组分的参考直径1 4 表2 2p p t 羽流组分的相对极化率1 5 表2 3电荷交换碰撞截面表达式中的系数1 5 表3 1p p t 羽流模拟参数3 1 表4 1 基本r s 触发器状态表5 6 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和 撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意 学位论文作者签名：期主商二兰l 日期：a 卯多年，1 月印日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国防科学 技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查 阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：警查 蕴丝日期：跏年- ，月文阳 作者指导教师签名：l 三￥立日期：训年，月少伊 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 1 9 5 7 年1 0 月4 日，苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星，标志着人 类进入了航天时代。航天器的出现，使人类活动范围从地球大气层扩展到广阔无 垠的宇宙空间，使人类认识自然和改造自然的能力发生了质的飞跃，对社会经济、 军事和科学技术的发展产生了深远和重大的影响。 推进系统是航天器的动力装置，承担着航天器轨道与姿态控制、轨道与姿态 机动及位置保持等功能，是航天器重要的分系统之一【l 】。在航天器的在轨管理任 务中，传统的冷气推进系统和单双组元化学推进系统得到了广泛的应用【2 】，然而 冷气推进和单双组元化学推进系统需要气瓶、贮箱、管路和阀门等推进剂供应 和控制系统，比冲低、重量大、结构复杂、响应慢、控制精度不高，推进剂存在 泄漏的可能。此外，冷气推进系统空间利用率不高，且由于总冲非常有限，无法 满足长时间在轨管理的要求，而单双组元化学推进系统广泛应用的推进剂( 如 肼、偏二甲肼) 有毒、易燃，其在航天器上的应用上受到限制【3 】o 随着航天技术的不断进步和人类航天活动的不断增加，航天器要求推进系统 质量更轻、体积更小和效率更高，电推进以其体积小、重量轻、结构简单紧凑、 比冲高、控制精度高、推进剂无毒无污染等优点受到了人们的极大重视和青睐【4 】。 为满足未来科学研究、技术验证、卫星通讯、深空探测以及军事任务的要求，世 界各国都在加紧电推进技术的研究，一方面提高现有电推力器的性能和可靠性， 另一方面开展新型电推进技术的研究【5 】。经过几十年的理论和试验研究，多种类 型的电推进系统已被研制出来并广泛应用于航天器的姿态控制、位置保持、阻力 补偿、轨道提升、轨道修正、轨道转移、重新定位、离轨处理、深空探测和星际 航行等任务【6 j 。自1 9 6 4 年电推进首次应用至今，全世界约有2 0 0 多颗地球轨道 卫星和深空探测器使用过近5 0 0 台电推力器，而且其数量还在继续保持快速上升 的趋势【7 1 。 脉冲等离子体推力器( p u l s e dp l a s m at h r u s t e r ，p p t ) 是电推进系统中的一 种，具有易于集成、控制方便、响应快速、能产生小而精确的推力脉冲、所需星 上电源功率小等特点，特别适合用于微小卫星的位置保持、阻力补偿和姿态控制， 实现卫星星座的精确编队飞行，同时能作为微型航天器的主推进，用于轨道提升 和近地轨道任务的寿命延长，是当前电推进研究的热点和重要方向【8 】【9 】。 尽管p p t 经过了数十年的研究与开发，而且已有多次空间飞行的经验，但 是由于其工作过程中存在多种不同时间尺度和空间尺度的动力学行为，推力器点 第l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 火、推进荆烧蚀、电离以及等离子体加速之间存在着复杂的耦台关系，很多过程 的内在机制尚未认谈清楚实际应用过程中也有很多问题需要进一步研究解决 。 目前p p t 实际应用面临的主要问题之一是推力效率低。通常固体烧蚀型p p t 的推力效率小于1 0 ，排气速度小于1 0 k m s ，而其它种类的等离子体推力器推 力效率可达5 0 ，排气速度高达2 0 3 0k m f $ u ”。 脉冲等离子体推力器存在的另一个重耍问题是羽流污染。p p t 羽流是推进剂 分解产生的电子、离子和中性粒子以及柬自于电极、火花塞和喷管的溅射物的混 合物，主要是低速运动的中性粒子和高速运动的带电粒子( 电子、离子) ，同时 存在由电荷交换碰撞产生的高速运动的中性粒子和低速运动的离子。p p t 工作时 产生的等离子体、电磁、热等环境会对航天器产生溅射腐蚀、沉积污染、电磁干 扰、动力学干扰、热负荷、化学污染和光干扰等，影响航天器的正常工作，缩短 航天器的使用寿命。图1l 给出了羽流污染的示意图。 削1 l 羽流污染示意蚓 因此，有必要对p p t 羽流进行数值模拟和实验测试诊断，掌握羽流特性与 分布规律，增强对p p t 羽流与航天器相互作用的预测能力，为p p t 与航天器的 一体化设计和羽流污染防护提供依据。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 1 工作原理与特点 1 2p p t 研究概述 p p t 利用脉冲放电烧蚀或加热推进剂，并使其电离成为等离子体，在电磁和 电热加速作用下高速喷出而获得推力。 根据所采用的推进剂，p p t 可分为固体烧蚀型p p t ( a p p t ) 、液体p p t ( l p p p t ) 和气体加注式p p t ( g f p p t ) 三种；根据电极构型可分为平行板电 极式、同轴电极式两种；根据推进剂供应方式，又可分为尾部馈送式和侧面馈送 式两种。较为常见的是采用固体聚四氟乙烯( t e f l o n ) 的平行板电极尾部馈送p p t 和同轴侧面馈送p p t 。图1 2 所示为平行板电极尾部馈送型p p t 的结构图【1 3 】。 推力器工作时，首先将储能电容器充电至所需要的高压，随后火花塞点火， 点火产生的微量放电导通极板，引发电容器放电，放电形成的沿推进剂表面的高 温电弧烧蚀掉部分推进剂，并将其电离形成等离子体。等离子体中的电子和离子 在极板间电场的作用下分别向两极加速，形成闭合回路电流，产生感应磁场和对 带电粒子的洛仑兹力。在洛仑兹力和气动压力的共同作用下，等离子体被加速喷 出推力器，产生一个推力脉冲。电容器放电完毕后，推力器进入下一个循环或停 止工作。 火花塞 图1 2 平行板电极尾部馈送p p t 作为一种有着广阔应用前景的电推力器，p p t 的优点主要体现在： ( 1 ) 比冲高。对于a p p t 比冲通常可达8 0 0 1 5 0 0 s ，通过提高推进剂的利用 率、采用磁场加速等离子体等措施，比冲还可以进一步提高。文献【1 4 】报道的高 能平行板电极型p p t 在8 0 0 j 放电能量下比冲甚至达到了5 1 6 6 s ，效率高达5 3 。 ( 2 ) 能产生离散的、小而精确的脉冲，冲量可小至5 0 2 0 0 州s ，新型的微型 p p t ( i l - p p t m i e r o p p d 甚至小于l o 州s ，比普通化学推力器的脉冲宽度小两个量 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 级，非常适于航天器精确姿、轨控，尤其适合用于卫星星座的保持，其控制精度 可达0 1 m m 。 ( 3 ) 能在恒定的比冲和效率下，通过调节脉冲重复频率实现大范围推力调节， 无需以降低性能为代价或采用复杂的节流方法。 ( 4 ) 平均功率小，可通过贮能电容器的充电时间调节输入功率，无需复杂的 电源处理器，降低了对电源和结构的要求。 ( 5 ) 结构简单、体积小、重量轻、推进剂无毒无污染。使用固体推进剂时， 具有推进剂稳定易储存、安全可靠、无泄漏、无需贮箱和管路、便于与飞行器集 成等优点。 1 2 2 发展历史与应用研究现状 早在1 9 5 5 - - 1 9 5 7 年，苏联就已经开始试验平行板电极式和同轴式脉冲等离 子体推力器【6 1 。1 9 6 4 年1 1 月3 0 日，苏联在其向金星发射的星际探测器z o n d 2 上使用了6 台同轴型p p t 控制太阳能电池帆板对太阳定向，这是电推进的首次 空间在轨应用。1 9 6 8 年，美国m i t 林肯实验室在l e s 6 地球同步通讯卫星上采 用4 台平行板电极型p p t 成功地完成了对卫星的东西位置保持任务【l5 1 。之后， 由于各航天大国将推进系统的研究重点放在主推进上，除了少数几次在轨测试外， p p t 在七八十年代只应用于了美国海军的太阳同步子午仪导航卫星t i p 2 ，3 和 n o v a 1 ，2 ，3 五颗卫星 1 6 - 1 9 j 。 表1 1国外已应用或进行空间验证的p p t 直到9 0 年代中期，随着航天技术特别是微小卫星技术和星座编队飞行技术 的发展，改进的电容器性能、与推进剂供应系统的一体化设计以及高比冲和低功 耗下提供精确脉冲的能力使得p p t 特别适合作为功率受限的微小卫星的姿轨控 系统，人们对p p t 的研究和发展的热情被重新点燃。以美国为代表，在n a s a 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 和空军研究实验室的支持下，p p t 在m i g h t y s a t i i 和e o 1 卫星上的演示验证试 验获得了很大的成功 2 0 - 2 2 。与此同时，越来越多的国家，如澳大利亚、德国、韩 国、阿根廷、印度，以及越来越多的高校，如美国的伊利诺斯大学、普林斯顿大 学、俄亥俄州立大学、密歇根大学、华盛顿大学，相继加入到p p t 的研究队伍 中来，对l p p p t 、g f p p t 等多种构型的p p t 开展了广泛的研究【2 3 瑚】。表1 1 给出了国外已应用或进行空间验证的p p t 的相关情况。 1 2 3 羽流研究进展 1 2 _ 3 1p p t 羽流实验研究进展 为增进对p p t 的推力作用规律的了解，寻求性能提升方法和污染产物消减 的手段途径，数十年来世界各国的研究者们开发和采用了一系列的测量诊断工具， 对多种p p t 开展了广泛的羽流诊断实验研究，取得了大量重要的研究结果。 2 0 世纪7 0 年代，美国麻省理工学院林肯实验室对l e s 6p p t 最早进行羽流 实验研究。1 9 7 0 年，v o n d r a 等人【2 9 j 测得放电能量为1 8 5 j 时的平均排气速度为 3 k m s ，用法拉第杯测得的离子速度约4 0 k m s 。基于此，他们认为只有不超过l o 的烧蚀质量电离并被电磁加速。使用k 波段微波干涉仪估算出距离t e f l o n 表面 2 0 c m 处的最大电子密度为3 x 1 0 1 8 m - 3 。用朗缪尔单探针测得距离t e f l o n 表面 2 5 c m 处放电4 肛s 后的电子温度为2 0 e v ，这一结果与其它研究结果相比高出许多， 说明在非稳态、强干扰羽流场中应用朗缪尔探针测量是充满挑战性的。1 9 7 2 年， t h o m a s s e n 和v o n d r a t 3 0 j 对l e s 6p p t 使用光谱扫描仪发现羽流中存在c 、f 、c + 、 f + 、c + + 、f 什、c 一、f + + + 以及少量的溅射离子，并认为大多数中性粒子是由放 电初期高度电离的离子复合产生的。 从1 9 7 2 年到1 9 8 2 年，美国空军火箭推进实验室研究了毫牛量级推力p p t 的工作特性。1 9 7 7 年，g u m a n 和b e g u n 3 1 】发现p p t 羽流扩张限制在推力器中心 线+ 4 0 。范围内。采用双探针测得距离推力器喷口0 7 m 处的最大电子密度为 3 5 x 1 0 2 0 m o ，最高电子温度3 7 e v ，偏离推力器中心线越远，电子温度和密度越 小。实验中还将模拟的太阳能电池阵置于羽流之中，但没有被高度污染。同年， p a l u m b o 和b e g u n 3 2 j 等人使用高速摄影仪拍摄p p t 放电过程，用飞行时间探针确 定电流峰的形状，用磁场探针来获得磁流密度。高速摄影仪拍摄的结果表明等离 子体是以离散串的形式加速，当烧蚀表面的电流方向改变时，等离子体粒团出现 分离。飞行时间探针测量表明电流峰在阳极表面的速度要比阴极快。磁流密度曲 线表明磁通量与沿着烧蚀表面的放电电流成正比。在距烧蚀表面5 c m 的轴向上 测得最大电子数密度为1 4 6 x 1 0 2 1 m 3 ，沿着推力器中心线测得最大电子温度为 1 0 e v 。1 9 8 2 年，d a w b a m 等人1 3 3 j 对电容容量为2 5 6 9 f 和3 2 0 9 f 的平行电极p p t 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 进行了研究。采用高速摄影仪对等离子体进行拍摄，两个r o g o w s k i 线圈用于监 视电容器的放电电流，一个可见紫外分光计用于监控喷管出口截面。结果表明， 放电持续时间为5 5 i t s ，每个脉冲烧蚀的质量为1 7 1 m g 。第一个等离子体团从形 成到离开推力器的时间为2 0 9 s ，测得其速度为4 0 k m s ；第二个等离子体团的速 度为1 3 k m s 。磁场峰值为0 8 5 t ，此时推力器的电流达到峰值8 4 k a 。 1 9 8 4 年，日本宇航研究所和电气工程实验室研究了用在工程试验4 号卫星 ( e t s ) 上的p p t 的羽流特性。h i r a t a 和m u r a k a m i 3 4 1 使用质谱仪发现羽流中存 在c 、f 、c f 、c f 2 和c f 3 ，实验测得离子速度为3 4 k m s 。 1 9 9 7 年，莫斯科航空学院应用力学与电气力学研究所对能量水平在8 0 - - 1 0 0 j 的p p t 进行了研究。a n t r o p o v 等人【3 5 j 使用分光镜、激光干涉仪、朗缪尔探 针以及磁场探针测量了p p t 放电通道和羽流区域的各种属性参数。这些测量的 结果表明离开t e f l o n 表面的等离子体由两部分组成，密度相近但速度不同，快速 部分的速度达到4 0 k m s ，而慢速部分的速度仅为1 0 k m s 。此外，实验结果表明 电磁加速出现在电流脉冲的前半个周期，p p t 羽流中的电子温度介于1 8 到2 6 e v 之间。 9 0 年代中后期，美国空军研究实验室研究了p p t 的推进剂利用效率和粒子 发射现象。1 9 9 6 年，s p a n j e r s 等人【3 6 】对羽流进行了干涉和宽频发射测量，发现在 主放电结束至少3 0 0 1 x s 后仍存在中性气体蒸发。对中性气体密度的初步估计表明， 中性气体是造成推进剂利用效率低的主要原因。1 9 9 7 年，m a r k u s i e 和s p o r e s p 7 j 使用分光镜在平行板电极型p p t 的羽流中观察到f 、f + 、c + 、c + + 和c 2 。他们没 有注意到h i r a t a 和m u r a k a m i 观察到的c 、c f 的存在，可能是由于没有检查光谱 的紫外和红外波段。实验得出的时间平均电子温度为1 4 - 1 - 0 2 e v 。1 9 9 8 年，s p a n j e r s 等人【3 8 1 1 3 9 1 使用电子扫描显微镜和能量弥散x 射线分析，发现粒子发射占到推进 剂质量消耗的4 0 ，而它们对推力的贡献不到1 。使用磁场探针测量表明在脉 冲放电的后半周期，磁场迅速扩散，放电能量主要用于加热等离子体，降低了能 量利用效率。之后，a f r l 与伊利诺斯大学和密歇根大学合作，发展了一种新的 微型p p t ( g p p t m i c r o p p t ) 4 0 - 4 4 1 ，采用加强c c d 阵列获取羽流场图像，用h e r r i o t t c e l l 干涉计测量羽流中电子和中性粒子的密度，尤其是放电停止后中性粒子的密 度。 1 9 9 8 年，伊利诺斯大学b u r t o n 和b u s h m a n 4 5 1 使用四重朗缪尔探针研究了放 电能量9 j 的同轴电极p p t 羽流。实验测得最大电子密度2 0 + 1 0 x 1 0 2 0 m - 3 ，电子 温度2 o 0 3 e v ，离子马赫数3 0 + 0 5 。通过测量电子密度达到最大值的时间估 计出离子速度为3 4 k m s 。磁场探针测量表明羽流流场结构非对称，推力台测出 径向的电磁推力占总推力的4 。 1 9 9 9 年，n a s a 路易斯研究中心的a i t i n g t o n 和h a a g 4 6 】使用偏轴推力台对 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 e o 。1p p t 进行测量，结果表明存在一明显的指向阳极的推力分量，羽流向阴极 偏斜。2 0 0 0 年，a r r i n g t o n 等【4 7 j 使用石英晶体阵列分析羽流污染情况也发现羽流 偏向阴极一侧。 9 0 年代末和本世纪初，美国伍斯特工学院与n a s a 格伦研究中心合作，对 l e s 8 9 和e o 1p p t 的羽流进行实验诊吲4 引。采用单探针飞行时间分析方法发 现羽流中存在两种速度的离子群，速度约3 0 k m s 和6 0k m s 。使用残余气体分析 仪研究确定羽流成份包括c 、f 、c x f v 和多种推力器溅射物。快速电离规测出放 电结束l m s 后仍存在低速中性粒子。用三重探针和四重探针测量了5 j 、2 0 j 和 4 0 j 放电能量下的电子温度和数密度，结果表明羽流属性在垂直于电极的平面内 随角度变化很大，而在平行于电极的平面内变化较小。电子温度和数密度随着到 t e f l o n 表面径向距离的增加而下降。 2 0 0 2 2 0 0 3 年，美国华盛顿大学s h u m l a k 等人【5 2 5 3 1 用飞行时间质谱仪测量 了d a w g s t a rp p t 羽流中粒子能量分布和漂移速度，结果表明等离子体速度峰值 出现在偏向阴极处，c + 是羽流的主要成分，f + 与c + 的浓度比小于化学计量比。 2 0 0 0 年以来日本东京都立科技学院采用高速摄影仪对放电情况进行观察， 发现二次放电并未沿着推进剂表面，而是与之有一小段距离。采用发射光谱发现 羽流中存在c 2 ，用铝板收集羽流污染物分析发现其组成以碳元素为主。实验还 使用磁场探针测量了磁场的空间分布和时间演化特性【l l j 【州。 尽管一些研究者成功地测量了等离子体羽流属性，获取了部分有用信息，加 深了对等离子体加速过程和羽流污染的认识，但是这些研究仍然是不全面的，某 些结论只在特定条件下成立，部分研究仅停留于对实验结果的简单描述上，而且 受实验测量条件的限制，某些测量结果的误差还很大，只能作定性分析或者只能 得到平均值或估计值。p p t 羽流极具复杂性，总体上人们对它的认识还很初步， 尚需对其进行大量全面深入的研究。 1 2 3 2 p p t 羽流数值研究进展 p p t 羽流是弱电离气体，包含推进剂分解电离产生的电子及多种中性粒子和 离子。p p t 羽流各种组分之间复杂的相互作用以及羽流非稳态的特性使得对其进 行数值模拟极具挑战性。与p p t 羽流的实验研究相比，数值研究起步相对较晚， 主要工作都集中在2 0 世纪9 0 年代以后。 2 0 01 年，s u r z h i k o v 和g a t s o n i s 5 5 】运用时间分裂的m h d 方法模拟三维p p t 羽流，计算得到了羽流压力、磁压和密度随时间变化的情况，但是其单一流体的 假设不允许对羽流中的各种组分进行分析，而且方程的连续介质假设很难保证成 立。 脉冲等离子体推力器近场羽流的稀薄程度通常介于连续流和自由分子流之 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 间。为了模拟这一过渡区羽流并评估回流污染，通常需要使用能处理稀薄羽流非 平衡效应的粒子模拟方法。对于中性羽流化学反应和表面相互作用的模拟，一种 标准的方法是直接模拟蒙特卡罗( d i r e c ts i m u l a t i o nm o n t e - c a r l o ，d s m c ) 方法； 对于等离子体的模拟，最为广泛使用的是粒子网格法( p a r t i c l e i n c e l l ，p i c ) 。 1 9 9 9 年，g a t s o n i s 和x y i n 5 6 】发展和验证了粒子流体混合模型，使用d s m c 和p i c 方法模拟中性粒子和离子，将电子模拟为无质量流体，动量方程中计及了 与离子和中性粒子相互碰撞的影响。对n a s a 格伦研究中心试验中的p p t 进行 的数值模拟揭示了脉冲放电期间中性粒子和离子的膨胀过程、低速离子和高速中 性粒子的产生过程以及中性粒子和离子的回流过程。电子数密度的数值模拟结果 与实验结果定量吻合。 2 0 0 0 年，b o y d 和k e i d a r ，7 】使用局部热平衡一维模型描述t e f l o n 烧蚀、等离 子体产生和加速过程，采用d s m c p i c 方法模拟伊利诺斯大学正在研制的p p t - 4 样机的羽流膨胀过程，并就电子数密度和等离子体电势与实验结果进行了比较。 比较结果表明模拟结果与实验结果总体吻合较好，放电后期模型预测值衰减较快。 模拟显示出羽流膨胀过程中离子与中性粒子、碳离子与氟离子的行为差异很大， 回流污染主要由碳离子引起。 2 0 0 1 年，k e i d a r 和b o y d 5 8 】使用d s m c p i c 流体混合算法对a f r l 发展的 m i c r o p p t 进行近场羽流模拟，由t e f l o n 烧蚀模型和等离子体产生模型提供边界 条件。羽流模拟表明在推力器出口截面下游数毫米处存在一个等离子体的高密度 区。该高密度区存在于整个放电脉冲持续时间内，密度从初期的2 x 1 0 2 2 m - 3 减小 到放电5 b s 后的0 3 x 1 0 2 2 m - 3 。碳离子和氟离子速度相图的中心在轴线方向的速 度约3 0 k m s ，随着放电的进行，速度相图显示离子逐渐分离为径向速度分别为 正和负的两组。模型还预测出有高达1 0 k m s 回流速度的离子群存在，这会造成 极大的回流污染，在使用p p t 的过程中需引起特别关注。 为了模拟p p t 非稳态等离子体的三维流动，德国斯图加特大学空间系统研 究所和空气动力学研究所、斯图加特高性能计算中心以及卡尔斯鲁厄研究中心脉 冲电源和微波技术研究所相互合作，在“高性能计算机模拟仿真”计划下共同发 展描述稀薄等离子体流动的玻尔兹曼方程的近似解方法【5 9 j 。用p i c 方法模拟电 磁场和带电粒子之间的耦合作用，用d s m c 模拟粒子间的短程相互作用，用于 模拟库仑碰撞的基于f o k k e r - p l a n c k 方程的模型还在发展之中。 1 3 本文主要研究内容 本文采用数值模拟和实验研究相结合的方法，以分析和预测p p t 羽流流场， 掌握羽流属性为主要目标开展工作。全文的主要内容如下： 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章为绪论，阐述了本文的研究背景和意义，介绍了脉冲等离子体推力器 的工作原理和特点，对p p t 的发展历史和研究现状、羽流研究进展进行了综述。 第二章介绍了d s m c 和p i c 方法的基本原理以及实现过程，给出了采用 d s m c p i c 流体混合算法模拟p p t 羽流场的具体方法和步骤。 第三章采用d s m c p i c 流体混合算法对一种p p t 模型样机的羽流进行了模 拟。将模拟结果与实验结果进行了比较，并对羽流场的模拟结果进行了分析和讨 论。 第四章对p p t 羽流进行实验研究。介绍了朗缪尔探针诊断的基本原理，讨 论了使用朗缪尔单探针诊断p p t 非稳态羽流的具体方法，设计了用于p p t 非稳 态羽流诊断的朗缪尔探针触发电路。使用四极杆质谱仪对p p t 羽流的组成成分 进行了分析测量，并采用高速摄影仪拍摄了p p t 放电通道内的放电图像，分析 了p p t 放电过程中等离子体的产生、加速过程以及推力器出口羽流的膨胀特征。 最后，在结束语部分，对全文内容进行了总结和归纳，指出了进一步改进的 方向。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章d s m c p i c 流体混合算法的基本原理 2 1 引言 建立羽流模型有多种方法，包括半经验方法、运动学方法和粒子方法【o 引。 半经验方法在推力器喷射面近距离范围测量羽流数据，按照平方反比关系推广到 远距离范围。该模型在大角度区域的预测结果与试验结果差别较大，而大角度区 域又是相互作用研究特别关心的区域，因此这一方法很少采用。运动学方法采用 b o l t z m a n n 或f o k k e r - p l a n c k 运动方程，同时模拟等离子特性和碰撞效应。该模型 计算量大，对复杂几何求