磁等离子体推进器阳极半径对阳极功率沉降的影响

随着人类航天事业的发展,需要研发适用于不同空间任务的推进系统,与磁约束核聚变原理类似的磁等离子体动力推进器(MegnetoPlasmaDynamic Thruster,MPDT)在推力功率比和比冲方面具有优越性能。阳极功率沉降是MPDT运行过程中等离子体与壁面相互作用的结果,占总功率的40%~90%,严重降低推进器效率。针对该问题,本文从阳极功率沉降的角度探究了阳极半径对推进器效率的影响。基于磁流体力学方程(MagnetoHydroDynamic,MHD),利用数值计算方法建立径向放电参数数值模型和阳极功率沉降物理模型,研究计算了阳极半径对放电参数和阳极功率沉降的影响规律,并建立热仿真模型对阳极水冷散热结构进行了热仿真。研究结果表明:增大阳极半径,电子密度及离子速度得到提高,阳极功率沉降增大,但阳极功率沉降分数降低,推进器效率得到提升。热仿真结果显示,水冷结构阳极在输入阳极功率沉降约为3 kW时,对应的阳极冷却水温差为5 K。本研究验证了阳极功率沉降物理模型的可靠性,并指出增大阳极半径是提升推进器效率的有效手段。