楊　磊，劉向陽， 湯海濱，黃玉平，王寧飛

(1.北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京　100076；2.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京　100081；3.北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京　100191)

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脈沖等離子體推力器放電電離特性的數(shù)值研究

楊磊1,3，劉向陽2， 湯海濱3，黃玉平1，王寧飛2

(1.北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京100076；2.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京100081；3.北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京100191)

推進(jìn)劑燒蝕產(chǎn)物的電離過程直接制約著等離子體的產(chǎn)生及其特性，是決定脈沖等離子體推力器(PPT)工作效能的關(guān)鍵因素。為了準(zhǔn)確描述PPT放電電離特性，提出了基于熱化反應(yīng)的燒蝕邊界層和等離子層耦合模型，并以LES-6 PPT為例進(jìn)行數(shù)值研究，揭示了脈沖電流激勵下PTFE燒蝕與離子化過程所產(chǎn)生的多種組分在放電室內(nèi)時空分布特性。結(jié)果表明，燒蝕并電離出的等離子體主要以一階電離形式存在，其中C、F元素的離子化區(qū)域分別集中在上、下游放電通道內(nèi)；高度電離且短期存在的C、F離子(二價和三價)主要出現(xiàn)在放電初期；等離子體各種組分濃度的峰值時刻與羽流實驗數(shù)據(jù)基本吻合。該研究為探究PPT放電能量分配及損失機理提供了理論參考。

電推進(jìn)；脈沖等離子體推力器；燒蝕；電離

0　引言

固體燒蝕型脈沖等離子體推力器(Pulsed Plasma Thruster，PPT) 由于具有比沖高、結(jié)構(gòu)簡單、平均功率小和控制靈活等特點，可應(yīng)用于軌道轉(zhuǎn)移、位置保持、阻力補償、精確編隊飛行及姿態(tài)控制等許多微型航天器的推進(jìn)任務(wù)，成為當(dāng)前電推進(jìn)技術(shù)研究的熱點和重要方向之一[1]。然而，長期以來PPT效率低下一直是限制其發(fā)展和空間應(yīng)用的核心問題[2]。試驗研究發(fā)現(xiàn)，其原因在于PPT工作時所消耗的推進(jìn)劑只有小部分在微秒級的放電燒蝕過程中被電離和加速噴出產(chǎn)生推力[3]。因此，從推進(jìn)劑燒蝕演化機制入手，研究PPT放電電離過程，定量揭示推進(jìn)劑燒蝕組分尤其是離子組分的時空分布特性，這對探究放電能量分配及損失機理有著至關(guān)重要的作用，同時也是研制高性能PPT亟需解決的關(guān)鍵。

合理完善的燒蝕分析模型是準(zhǔn)確描述PPT放電電離特性,揭示等離子體產(chǎn)生、流動、擴散等過程的基礎(chǔ)。Mikellides通過壁面與等離子體層之間的熱力學(xué)狀態(tài)關(guān)系首次將燒蝕與等離子體流動結(jié)合起來描述PPT放電燒蝕過程[4]。此后，基于MACH2磁流體程序的一系列PPT數(shù)值研究[5-6]都是建立在Mikellides模型的基礎(chǔ)上。然而該模型的邊界層跳躍條件采用了簡單的單值比例關(guān)系，不能體現(xiàn)放電過程中等離子體流動入口參數(shù)的動態(tài)變化[7]。針對這一缺點，Keidar等將PPT的放電室按空間位置劃分為燒蝕邊界層和等離子體層兩個區(qū)域，通過克努森理論來刻畫燒蝕和流動耦合機制，建立更為精準(zhǔn)的K-B模型[8]。尹樂等在K-B模型的基礎(chǔ)上開展了三維雙溫PPT工作過程的仿真研究[9]。然而由Anisimov一維平衡蒸發(fā)理論發(fā)展的K-B模型忽略了推進(jìn)劑的熱化反應(yīng)對燒蝕邊界層和等離子體層相互關(guān)聯(lián)產(chǎn)生影響[10]。固體推進(jìn)劑的熱化反應(yīng)最直觀體現(xiàn)在電離組分的復(fù)雜多樣性。受熱化反應(yīng)控制的這些組分狀態(tài)變化很大，直接影響著燒蝕邊界層與等離子體層間傳熱傳質(zhì)密切相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，對PPT工作過程準(zhǔn)確模擬的作用不容忽視。

為此，本文提出了基于熱化反應(yīng)的燒蝕邊界層和等離子體層耦合模型，并以LES-6 PPT為例開展了PPT放電電離特性的數(shù)值研究，定量獲取微秒脈沖電流激勵下PTFE燒蝕和電離的各價C、F離子組分及其濃度存在時空分布規(guī)律及中性原子在脈沖放電末期及結(jié)束后的演化機制，初步揭示了推力器性能貢獻(xiàn)來源及其效率影響機制。

1　計算模型及方法

針對傳統(tǒng)模型的缺陷，本文以PPT常用的固體推進(jìn)劑PTFE為例，首先建立其熱化反應(yīng)模型來獲取PTFE燒蝕與離子化過程所產(chǎn)生的組分信息；其次構(gòu)建能夠表征熱化反應(yīng)效應(yīng)的燒蝕邊界層和等離子體層的耦合模型，用以描述定常條件下的燒蝕與流動機制；該模型考慮了傳統(tǒng)模型所忽略的PTFE熱化反應(yīng)所造成的燒蝕多組分及其質(zhì)量分布特性對邊界層熱力學(xué)狀態(tài)尤其是外邊界速度的影響機理。最后在此基礎(chǔ)上結(jié)合放電模型及磁流體動力學(xué)方程定量化地揭示微秒非穩(wěn)態(tài)工作過程中PPT放電室空間的電離特性。

1.1熱化反應(yīng)模型

本文重點研究等離子體層PTFE高溫等離子體系組分及其熱物性，主要包括一價至三價C、F離子，C、F原子及電子等。

在局部熱力學(xué)平衡的假設(shè)基礎(chǔ)上，PTFE高溫等離子體系組分可滿足如下的Saha方程[11]：

(1)

式中ne為電子數(shù)密度；n(r)為r次電離粒子的數(shù)密度；me為電子質(zhì)量；εi(r)為r次到r+1次電離所需電離能；Z(r)為r次電離的配分函數(shù)(r=0，1，2)。

為了計算上述Saha方程,需要進(jìn)一步補充以下假設(shè)和方程：

(1)等離子體宏觀電中性假設(shè)

(2)

式中ni為第i種等離子組分的數(shù)密度；r為電離階次。

(2)數(shù)密度守恒

根據(jù)固體推進(jìn)劑PTFE的組成，即(C2F4)n，可得

(3)

(3)氣體分壓定律

(4)

式中pir=nirkT表示第i種成分的分壓。

由Saha方程及式(2)、式(3)、式(4)即可確定PTFE燒蝕與離子化產(chǎn)生的多種離子組分、原子濃度、電離程度等組分信息與局部熱力學(xué)狀態(tài)(溫度和壓強等)間的關(guān)系。根據(jù)確立的組分及濃度信息，進(jìn)一步獲取建模中所需的物性參數(shù)變化規(guī)律，如相對分子質(zhì)量、電導(dǎo)率、比焓等。

1.2燒蝕邊界層和等離子體層耦合模型

PPT的放電室按空間位置所劃分的燒蝕邊界層和等離子體層如圖1所示。其中，燒蝕邊界層(也稱為克努森層、蒸氣層或動力層)用于描述PTFE壁面(0處)與流體入口(1處)間燒蝕過程的過渡層，并且燒蝕邊界層的外邊界參數(shù)可以表征固體推進(jìn)劑的燒蝕特性；等離子體層則描述了等離子體的產(chǎn)生及其流動過程，反映了PPT放電電離特性。

本文基于克努森理論改進(jìn)了K-B模型，建立了適用于PPT燒蝕邊界層特點的分析模型:

(5)

式中di=mi/2kTi(i=0,1)；m0和m1分別為壁面和流體入口粒子的平均分子質(zhì)量；α=V1/(2kT1/m)0.5；k為Boltzmann常數(shù)；erf為誤差函數(shù)；erfc為余誤差函數(shù)，且有erf(α)=1-erfc(α)；β為Anisimov比例系數(shù)；γ=(j+5)/(j+3)為絕熱指數(shù)；j為內(nèi)部自由度，體現(xiàn)PTFE熱化反應(yīng)所產(chǎn)生的組分結(jié)構(gòu)的影響。

圖1　PPT燒蝕與等離子體層結(jié)構(gòu)示意圖

式(5)描述了邊界0和1處熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)的本質(zhì)關(guān)系，即若已知PTFE壁面溫度T0、外邊界速度V1即可由式(5)解算出等離子體層入口的熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)如溫度T1、密度n等。其中，T0可由式(6)所示的傳熱模型，即半無限大固體材料非穩(wěn)態(tài)傳熱方程、PTFE汽化分解條件及傳遞到推進(jìn)劑表面凈熱流Qs所確立的邊界條件獲取[12]。

(6)

式中Q=I2Rp/(h·w)為單位面積的等離子體焦耳熱；I為放電電流；Rp為等離子體電阻，可通過熱化反應(yīng)模型所提供的電導(dǎo)率來獲取；h和w分別為燒蝕壁面的高和寬；Δhj為等離子體在計算時刻一定溫度、壓強下比焓值與在初溫T0時比焓值之差，而比焓值可相應(yīng)地由PTFE熱化反應(yīng)所產(chǎn)生的多種組分基于平動、轉(zhuǎn)動、振動及電子模式所混合的比內(nèi)能來表征[13]。

進(jìn)一步，n0由PTFE的平衡蒸氣壓公式計算：

(7)

式中pc=1.847×1015Pa；Tc=20 815 K。

此外，外邊界速度V1對式(5)的解算尤為關(guān)鍵。傳統(tǒng)的燒蝕邊界層模型為計算方便，通常假定V1為當(dāng)?shù)芈曀倩蚪咏曀?。而本文則采用邊界1和2處質(zhì)量和動量守恒方程來確立V1，見式(8)。

(8)

式中n2、T2和m2分別為邊界2處的密度、溫度和粒子的平均分子質(zhì)量。

相比傳統(tǒng)的計算方法，式(8)考慮了等離子體層熱化反應(yīng)所造成的邊界處組分平均分子質(zhì)量的差異，即m1/m2的變化對V1的影響[14]。

綜上所述， 式(5)～式(8)將燒蝕邊界層與等離子體層的熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)緊密結(jié)合起來，形成可表征PTFE熱化反應(yīng)的耦合模型。

1.3數(shù)值計算方法

為了揭示PPT微秒量級工作過程中放電電離特性，需將上節(jié)定常模型與PPT放電過程與等離子體流動動態(tài)結(jié)合，構(gòu)成一系統(tǒng)的數(shù)值計算體系，見圖2。

圖2　數(shù)值計算模型及流程圖

熱化反應(yīng)模型為其余各模型提供物性參數(shù)。其中基于基爾霍夫定律的放電模型如下：

(9)

本文采用ode45算法來解算放電模型。放電電流所表征的焦耳熱通過傳熱激勵PTFE壁面，造成邊界0處熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)(如T0)的動態(tài)變化，繼而由燒蝕邊界層和等離子體層耦合模型獲取等離子體流動入口，即邊界1處相應(yīng)的熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)。

進(jìn)一步，采用磁流體動力學(xué)方程(MHD)來描述層邊界1和邊界2間等離子體流動：

(10)

(11)

(12)

(13)

式中ρ、u和p分別為等離子體的密度、速度和壓強；B為磁感應(yīng)強度；j為電流密度；x為從推進(jìn)劑燒蝕表面指向放電室出口的方向。

為了提高計算效率同時保證穩(wěn)定性，本文采用顯式二步MacCormack格式對上述等離子體層流動模型進(jìn)行求解[15]。

以電極板間剛開始放電為初始條件，即在0～6 mm長度的放電室中：ρ=ρ0，u=0，T=T0，B=B0。其中，初始密度ρ0依據(jù)通道內(nèi)初始參數(shù)設(shè)定；初始溫度T0=300 K；初始磁感強度B0=0。

對于邊界條件，采用圖1中燒蝕邊界層外邊界1處的熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)作為流動入口邊界參數(shù)， 即

(14)

考慮到PPT放電工作過程中，其出口流動可達(dá)到超聲速條件，即出流邊界條件(邊界2)可采用簡單的一階外推獲得。

2　計算結(jié)果與討論

本文以常用的LES-6 PPT電參數(shù)(C=2 μF，L0=34 nH，R0=30 mΩ)和幾何構(gòu)型(h=30 mm，w=10 mm)等參數(shù)[15]為仿真對象，據(jù)圖2所示的數(shù)值模型及計算流程，開展PPT放電工作過程的數(shù)值模擬研究，揭示PPT放電室內(nèi)多種等離子體組分的時空演化機制。

圖3是LES-6 PPT 脈沖放電工作過程中C元素等離子體數(shù)密度(分別是一價至三價的C離子，即C+、C2+和C3+)在放電室空間內(nèi)隨時間變化的等值線分布圖。圖3的縱向坐標(biāo)表示放電時間，橫向坐標(biāo)表示放電室的長度(從推進(jìn)劑燒蝕表面到放電室出口)。通過對比圖3(a)、(b)和(c)可看出，C2+和C3+數(shù)密度的量級是1021，比C+所對應(yīng)的1023小了2個數(shù)量級，這表明LES-6 PPT工作過程中燒蝕并電離出的C離子主要是以一階電離形式存在。進(jìn)一步由C+、C2+和C3+的時空分布可揭示C離子的產(chǎn)生和演化規(guī)律：在脈沖放電初期(0～1 μs)，放電電流最大，在放電室上游區(qū)域燒蝕并電離出大量C+離子，同時相對應(yīng)于大脈沖電流所產(chǎn)生的強自感磁場-電磁加速效應(yīng)非常快，剛剛電離的一價離子迅速被加速至放電室下游通道；C離子在下游加速同時進(jìn)一步電離為高價離子，尤其是在0～0.5 μs時間范圍內(nèi)，出現(xiàn)了較高濃度的C2+和C3+；在脈沖放電中后期(1～3 μs)，隨著放電半周期結(jié)束，放電能量開始減弱，電離出三價離子的概率降低，使得下游通道會呈現(xiàn)C2+，即C2+在下游分布存在的時間略晚于C3+；同樣這也類似于C+。隨著放電能量進(jìn)一步降低，C2+的密度大幅下降，此時放電室下游通道及出口主要是C+的分布。

為分析燒蝕產(chǎn)生的中性氣體的分布特性，圖4給出了相應(yīng)C原子數(shù)密度在放電室空間內(nèi)隨時間變化的等值線分布圖。

(a)C+　　　　　　(b)C2+　　　　(c)C3+

圖4　C原子數(shù)密度的時空分布圖

由圖4可知，C原子最大密度存在于脈沖放電初期放電室上游區(qū)域，并隨著下游區(qū)域逐漸下降，與C離子的變化趨勢一致。很顯然這是由于C離子基本是C原子的分布進(jìn)一步電離產(chǎn)生的。從下游區(qū)域來看，C原子主要集中于脈沖放電中后期，此時放電能量減弱，燒蝕組分的電離程度較低。C原子與其離子分布的最大區(qū)別是在脈沖放電末期及放電結(jié)束后(>3 μs),此時由于PPT所特有的延時汽化效應(yīng)，放電室內(nèi)依然充滿一定濃度的中性C原子。

圖5相應(yīng)給出了 F元素等離子體(分別是一價至三價的F離子，即F+、F2+和F3+)數(shù)密度在放電室空間內(nèi)隨時間變化的等值線分布圖。比較圖5各價F離子峰值數(shù)密度可知， LES-6 PPT 燒蝕并電離出的F離子主要是以一階電離形式存在。對比圖3，F(xiàn)離子的峰值數(shù)密度比C離子小了一個數(shù)量級，這表明PPT放電電離過程中所產(chǎn)生等離子體的主要組分是以C+為主。此外，F(xiàn)離子在空間分布上與C離子產(chǎn)生較大的差異。不同于C離子主要集中在放電室上游區(qū)域，脈沖放電初期F離子主要在下游區(qū)域內(nèi)被電離產(chǎn)生，這進(jìn)一步說明，F(xiàn)元素的電離程度要遠(yuǎn)低于C元素。造成的原因主要是F原子的外層電子所激發(fā)躍遷的能量相對大于C原子，尤其體現(xiàn)是在更價的離子上。對比F+、F2+和F3+的時空分布可看出，與C離子類似，越高價的F離子在下游區(qū)域內(nèi)電離產(chǎn)生的時刻越早，尤其是在0～0.5 ms內(nèi)，大量的F3+產(chǎn)生并加速排出放電室，繼而隨著放電能量的降低，下游區(qū)域內(nèi)分別呈現(xiàn)F2+和F+的分布。

(a)F+　　　　　(b)F2+　　　　　(c)F3+

圖6描述了F原子在放電過程及放電結(jié)束后在推力室空間內(nèi)隨時間變化的等值線分布圖。

圖6　F原子數(shù)密度的時空分布圖

對比圖4和圖6可知，中性F原子的峰值密度要比C原子高一個數(shù)量級，這主要是由于PTFE推進(jìn)劑分子式C2F4所決定的。由圖6可知，在脈沖放電初期，F(xiàn)原子集中于放電室上游區(qū)域并隨著下游放電通道逐漸下降，與C原子的變化趨勢一致。在整個脈沖放電中后期，F(xiàn)原子濃度持續(xù)從推進(jìn)劑向下游區(qū)域內(nèi)擴散，此時放電能量減弱，相應(yīng)組分的電離程度較低。同樣，由于PPT所特有的延時汽化效應(yīng)，脈沖放電末期及放電結(jié)束后(>3 μs)放電室內(nèi)存在著以F原子為主(密度大于C原子)的中性燒蝕氣體。

數(shù)值模擬的結(jié)果需要實驗數(shù)據(jù)的支持。Thomassen等人在LES-6 PPT 羽流排出產(chǎn)物診斷中發(fā)現(xiàn)存在C、F原子及其一價、二價、三價電離形式的等離子體[16]。為了與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，本文分別給出了放電室出口處C、F原子及其離子數(shù)密度變化的數(shù)值解，見圖7。圖7表明在放電初期PPT燒蝕并電離產(chǎn)生了二價和三價的C、F離子；電離越充分的組分持續(xù)的時間越短。

進(jìn)一步，表1對比了C、F原子及其各價離子數(shù)密度峰值時刻的數(shù)值解與Thomassen等測試的實驗值。從表1可看出，數(shù)值結(jié)果基本符合實驗值的范圍。

(a)C原子

(b)F原子

粒子CC+C2+C3+FF+F2+F3+實驗值1.51.20.80.31.30.80.50.3數(shù)值解1.91.280.80.581.91.00.760.6

PPT電離特性也可由電子數(shù)密度的時空分布來體現(xiàn)，見圖8。從圖8中可看出脈沖放電初期電離程度較高，大量C、F原子的外層電子激發(fā)躍遷最終形成大量自由電子，同時也相應(yīng)產(chǎn)生高價的C、F離子；在脈沖放電中后期，放電室空間電子數(shù)逐漸下降，這主要是由于一方面隨著放電能量的減少降低工質(zhì)氣體的電離度及相應(yīng)產(chǎn)生的電子數(shù)量，另一方面可能是由于復(fù)合作用所導(dǎo)致。當(dāng)C、F離子與自由電子碰撞時可能會俘獲電子從而降低所帶電荷數(shù)或形成中性原子，尤其是C、F離子在電磁作用下朝放電室下游區(qū)域加速過程與電子復(fù)合效應(yīng)最明顯(該區(qū)域電子數(shù)濃度最低)，從而導(dǎo)致高價C、F離子的損失。

圖8　電子數(shù)密度的時空分布圖

綜上所述，PPT性能貢獻(xiàn)來源可簡單分為等離子體電磁加速及中性氣體的氣動效應(yīng)，且有必要通過下式對這兩者定量分析，揭示其效率影響機制。

(15)

(16)

式中mi為帶電粒子質(zhì)量；IEM為電磁加速沖量；MC、niC、MF、niF分別為放電室出口處C或F離子的質(zhì)量和密度；u為速度；A=h×w。

等離子體質(zhì)量變化規(guī)律及電磁加速對推力器性能貢獻(xiàn)的計算結(jié)果見圖9?？煽闯觯入x子體的質(zhì)量(即C、F各價離子質(zhì)量)約為1.2 mg，而相應(yīng)電磁沖量貢獻(xiàn)約為19.4 μN·s。相對于文獻(xiàn)[15]所給出的LES-6 PPT仿真結(jié)果(采用傳統(tǒng)Mikellides模型，等離子體質(zhì)量約2.6 μg)，本文采用改進(jìn)的基于熱化反應(yīng)的燒蝕邊界層與等離子體耦合模型所獲得的等離子體的質(zhì)量與Thomassen等測試結(jié)果更為吻合(等離子體的質(zhì)量約占總脈沖燒蝕質(zhì)量10 μg的10%，即1 μg)。

圖10為LES-6 PPT推進(jìn)劑壁面溫度的數(shù)值解。TG-DSC測試結(jié)果[17]表明PTFE的分解溫度(質(zhì)量燒蝕損失起始溫度>740 K)遠(yuǎn)大于其熔融點600 K。對比傳統(tǒng)模型，改進(jìn)模型所計算的壁面溫度在主放電結(jié)束后依然保持在700～800 K，這是能夠造成延時汽化現(xiàn)象的必要條件，更加符合PPT實際脈沖放電末期工況。進(jìn)一步對比LES-6 PPT元沖量可知：在一次脈沖放電過程中，僅有10%的燒蝕質(zhì)量被電磁加速，這些基于電磁加速的帶電粒子對元沖量的貢獻(xiàn)約占總量的70%；燒蝕質(zhì)量絕大部分是脈沖中后期以及主放電結(jié)束后由延時氣化效應(yīng)產(chǎn)生的中性氣體。這些基于氣動效應(yīng)加速的中性燒蝕質(zhì)量，對元沖量的貢獻(xiàn)僅占總量的30%，是造成PPT低效率的一個重要因素。

圖9　LES-6 PPT 等離子體質(zhì)量和電磁加速沖量

圖10　不同模型下LES-6 PPT 壁面溫度的數(shù)值解

近年來，基于放電能量多點多時段分布式匹配釋放方式來提高PPT效率的途徑受到廣泛關(guān)注。這種方法是在PPT主放電結(jié)束后，期望通過第二次(或多次)脈沖放電來電離和加速延時汽化產(chǎn)生的中性氣體來提高PPT性能。因此該方法能夠有效應(yīng)用的關(guān)鍵在于揭示放電室的電離情況，尤其是未電離的中性氣體組分產(chǎn)生的時間及在電極間空間分布情況；而本文的研究可為摸清二次放電能量釋放的最佳匹配時間和位置，進(jìn)一步探索高性能PPT的放電模式提供定量化和系統(tǒng)化的理論研究手段。

3　結(jié)論

(1)基于熱化反應(yīng)所建立的燒蝕邊界層和等離子體層耦合模型能夠定量化地描述PPT放電燒蝕與離子化過程所產(chǎn)生的多種組分在放電室內(nèi)時空分布特性，其性能預(yù)測結(jié)果符合PPT實際工況。

(2)LES-6 PPT 的等離子體主要是以一階電離形式存在。C、F元素的電離區(qū)域分別集中在上、下游放電通道內(nèi)，并且C元素的電離程度遠(yuǎn)高于F元素。

(3)脈沖放電初期通道出口處呈現(xiàn)大量短期存在高度電離的二價和三價的C、F離子，并且電離越充分的組分持續(xù)的時間越短。

(4)增強脈沖放電后期燒蝕氣體的電離程度，減少延時汽化效應(yīng)，對提高效率是十分必要的。

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(編輯：呂耀輝)

Numerical analysis on ionization characteristics in pulsed plasma thruster discharge

YANG Lei1,3, LIU Xiang-yang2, TANG Hai-bin3, HUANG Yu-ping1, WANG Ning-fei2

(1.Beijing Research Institute of Precise Mechatronic Controls, Beijing100076, China； 2.School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing100081, China ；3.School of Astronautics, Beihang University, Beijing100191, China)

Ionization process of propellant ablation products plays a vital role in pulsed plasma thruster (PPT). Its effects on plasma generation and behaviors directly determine the PPT performances. To accurately describe the ionization characteristics in PPT discharge, a dynamic coupling model of ablating boundary layer and plasma layer was presented on the basis of thermochemical reaction. Numerical solutions of LES-6 PPT using this model were studied, and the ablation process of PTFE excited by current pulses and the temporal and spatial variation of the different plasma species in the discharge channel were revealed. It is found that plasma is mainly composed of monovalent ions, of which carbon ions and fluorine ions are focused on the upstream and downstream discharge chamber, respectively. A large number of short-lived and highly ionized (divalent and trivalent ions) carbon and fluorine species are created in initial stage, and results of peak time of the various plasma species show a good agreement with plume experimental data. It is valuable for theoretically studying the discharge energy distribution and loss mechanism in PPT.

electric propulsion；pulsed plasma thruster；ablation；ionization

2015-03-27；

2015-04-15。

中國博士后科學(xué)基金(2015M570918)。

楊磊(1982—)，男，博士后，研究方向為空間電推進(jìn)技術(shù)。E-mail:ylforeverbit@126.com

V439

A

1006-2793(2016)02-0194-07

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.02.008