等离子体加速器动力学理论探索.pdf

第2 7 卷第3 期航天器环境工程 2 0 1 0 芏 16 月 S I ? A C E C R A F TE N V I R O N M E N TE N G I N E E R 工N G2 8 5 等离子体加速器动力学理论探索 高著秀1 ，黄建国1 ，韩建伟1 ，杨宣宗2 ，冯春华2 ( 1 中国科学院空间科学与应用研究中心，北京1 0 0 1 9 0 ；2 中国科学院物理研究所，北京1 0 0 1 9 0 ) 摘要：等离子体驱动微小碎片加速器是利用大容量脉冲电容器组对等离子体同轴枪放电产生高温、高密度、 高速等离子体，再用这些等离子体加速微粒( 1 0 10 0 0 I n n ) 至超高速( 1 1 5 k m s ) 以模拟f i l m 级以下空间碎 片撞击效应的地面试验装置。为了提高微粒速度，需要增加等离子体的动量，而等离子体的动量与工作气体的 性质及定向速度密切相关。文章用数值模拟及解析计算等理论方法来探索等离子体轴向速度、密度和温度与放 电条件、加速电极参数和工作气体之间的关系。通过研究等离子体束与微粒间相互作用的动力学行为，寻求优 化试验装置效率的有效途径。 关键词：等离子体同轴枪；微小碎片；撞击效应；雪耙模型；数值模拟 中图分类号：V 5 2 0 7 ；V 5 2 4 3 ：0 5 3 9 文献标识码：A文章编号：1 6 7 3 1 3 7 9 ( 2 0 1 0 ) 0 3 - 0 2 8 5 - 0 5 D o I ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 3 1 3 7 9 2 0 1 0 0 3 0 0 3 0 引言 随着航天活动的日益频繁i 空间碎片数量与日 俱增，空间碎片对航天器的危害已引起了世界各国 的普遍关注和深入研究。大尺寸碎片对航天器的危 害是毁灭性的，但数量有限，可通过观测计算其运 行轨道，通过航天器临时变轨而躲避；但航天器无 法躲避数量巨大的微小碎片( 尺寸介于10 10 0 0 叫l 之间) 的撞击，碎片与航天器的平均撞击 速度高达1 0k m s ，对航天器的各种表面材料造成累 积撞击损伤，影响航天器的性能或寿命。因此要在 地面建立各种模拟试验装置以开展空间微小碎片 撞击效应研究，现有的模拟试验装置主要有二级轻 气炮、激光飞片驱动装置、静电加速器、等离子体 驱动碎片加速器等。这些模拟试验装置的加速原理 和加速能力各不相同：二级轻气炮利用炸药爆炸瞬 间释放的能量将直径为l 1 0m m 球形或柱形弹丸 加速至3 8k l T l S ；激光飞片驱动方法利用高强度的 脉冲激光束透过基底材料入射到金属膜片，使金属 膜吸收激光束能量发生烧蚀、气化，形成微型烧蚀 腔，在腔内产生高温高压等离子体，等离子体继续 吸收能量并膨胀，最后将粘接在金属膜片上的金属 飞片驱动出去，形成高速飞片l ，飞片的直径范 围为1 3m l n 、厚度范围为5 6 0w n ，飞片的速度 范围为2 - - - 2 0k m s ；静电加速器加速方法是使带电 粉尘粒子穿过静电加速器获得加速，可将I 皿至g m 级的粉尘粒子速度加速到1 0 1 0 2k m s 范围；等离 子体驱动碎片加速器是通过高压电容器对同轴枪 放电形成等离子体，在强大的磁压力下将等离子体 高速驱动。并通过一个压缩线圈将等离子体压缩 成高温、高密度、高速等离子体流，驱动放置于喷 嘴处的微粒而形成超高速微粒，可将几m 至 几百岬l 的微粒加速到1 1 5k m s 的速度，所加速微 粒可以是金属或非金属材料，根据模拟要求而定。 在模拟j x m 至m l n 范围的空间微小碎片撞击效应方 面，等离子体驱动微小碎片加速器在碎片尺寸、速 度、材料及形状等方面有更大的适用范围，而且可 以进行群发射，非常适合用于空间微小碎片撞击效 应模拟试验研究。 1 设备介绍 2 0 0 4 2 0 0 6 年，中国科学院空间科学与应用研 究中心研制成功我国第一台等离子体驱动微小碎片 加速器，如图1 所示。这台装置可以将百l a i n 量级直 径的固体微粒速度加速到数k m s 至十几k m s 甚至 2 0 k m s 以上，用于空间微小碎片撞击损伤的模拟试 收稿日期：2 0 0 9 0 9 2 3 ：修回日期：2 0 1 0 0 4 2 6 基金项目：等离子体驱动微小碎片加速器动力学行为预先研究课题 作者简介：高著秀( 1 9 7 7 一) ，女，博士研究生，主要研究方向为等离子体加速器的性能优化。E m a i l ：g z x 0 1 8 1 6 3 C O m 。 万方数据 2 8 6 航天器环境工程第2 7 卷 验研究。在等离子体驱动微小碎片加速器上建立了一 套包括光学成像、谱线标定、同步触发与数据采集在 内的等离子体光谱诊断设备。通过测量离子谱线的展 宽和频移推算等离子体的温度与定向速度；通过离 子谱线扫描可以分析放电后杂质的主要成分；还可 研究放电参数、电极尺寸等对等离子体的影响。 在撞击模拟试验中发现了一些问题：如在试验 中微粒速度并没有随着等离子体储能的增加而提 高；微粒的速度也没有因为微粒尺寸的减小而进一 步地提高，当换成直径5 0 岬的玻璃微粒时，所能 脉冲电磁阀 达到的最高速度反而下降了，再换用其他材质的微 粒其速度也没有进一步增加；在用不同的工作气体 ( 氦气和氩气) 放电时，虽然它们的原子质量相差 近1 0 倍，但被加速微粒的速度没有明显地改变；在 试验中还发现当放电能量达到一定程度时存在着 严重的碎裂甚至熔化现象【2 1 。因此可以看到影响等 离子体定向速度的因素有很多，如放电条件、电极 尺寸及工作气体种类等。基于上述问题，有必要开 展等离子体动力学的数值模拟研究，求解同轴枪最 佳运行条件，以优化模拟试验装置。 图1等离子体加速器装置示意图 F i g 1 P l a s m aa c c e l e r a t o rd e v i c e 2 等离子体加速数值模拟研究 2 1 等离子体轴向加速阶段动力学特性 等离子体轴向加速阶段动力学工作原理如图 2 所示。同轴枪放电过程可分为3 个阶段：气体电 离及等离子体层的抬举、等离子体电流层的轴向 推进和等离子体电流层的径向箍缩。当工作气体 进入同轴枪时，在储能电容器电场的作用下沿绝 缘子表面开始电离并形成等离子体，运动的等离 子体产生洛伦兹力并在该力的作用下推动等离子 体片沿同轴枪轴向加速。当等离子体片到达阳极 的末端即z = 1 5c m 时，形成等离子体焦点【3 j ，等离 子体速度在电场作用下达到极大值。之后，等离 子体进入压缩线圈进行径向压缩，主要目的是提 高等离子体的密度( 此时速度基本不变) 。这团等 离子体依惯性沿轴向继续前进，压缩线圈不断地 对其压缩，在喷口处( 即线圈的锥端处，见图1 ) 形成高温、高密度、高速的等离子体，高速撞击 置于喷口处的微粒，将动能瞬间传递到微粒上， 产生的超高速微粒沿轴向飞行以用于空间微小碎 片撞击损伤效应的模拟试验研究。等离子体同轴 枪的工作过程复杂，影响微粒速度的因素较多， 包括等离子体源、压缩线圈、喷口形状，以及微 粒材料、尺寸及放置方式等。下面将通过等离子 体雪耙模型的数值计算以研究等离子体定向速度 与放电条件、电极尺寸及工作气体的关系，进一 步研究等离子体动力学特性。 图2 在收缩线圈前等离子体动力学工作物理模型 F i g 2P r i n c i p l em o d eo fp l a s m ad y n a m i c sb e f o r et h ep i n c hc o i l 万方数据 第3 期高著秀等：等离子体加速器动力学理论探索 2 8 7 2 2 理论模型方程 雪耙模型在等离子体加速动力学数值模拟研 究中做了一些假设或简化：如假设等离子体电流层 中所扫过的气体分子被全部电离，电离后的离子随 等离子体电流层一起以同样的速度运动，因此等离 子体的密度或质量在不断地增加；在一维模型简化 中，只考虑轴向位置Z 的变化对洛伦兹力的影响， 不考虑径向，的变化对洛伦兹力的影响，意味着洛 伦兹力均匀地作用在等离子体片上。由于驱动等离 子体运动的力是洛伦兹力，因此等离子体鞘层( 圆 环) 是空间位置( Z ) 的函数。图2 所示的等离 子体片垂直于中心电极，放电电流厶通过等离子体 片由内电极流向外电极，是一个典型同轴电极放电 情形。在洛伦兹力的作用下，等离子体片沿轴向运 动。等离子体片动量随时间的变化可表示为 警= 兰眠硒彳阁争= 耙彳考G 争棚， 等离子体片的运动方程为嗍 娶=gln(b一a)dt 4 n 2 P 万名一(扣zo(2)o(b2 a 2 2 ) 9 、出川 式( 1 ) 和式( 2 ) 中：m 是等离子体片质量，k g ；t 是时 间，s ；z 是等离子体片运动的轴向位移，m ；厶是 等离子体放电电流，A ；a 是同轴枪内径，m ；b 是同轴枪外径，m ；岛是等离子体密度，k m 3 ； 是真空磁导率，4 兀x 1 0 。N A 2 ；，是等离子体片的速 度，m s 。 在不计等离子体电阻( R 。卸) 情况下，等离子 体放电电流随时间的变化可表示为 竖d t 娟一去胁w 一上2 n M 马a 璺g t ( 3 ) 【厶+ 箬山( 旦) 】， 式中：C 0 是电容，F ；是充电电压，V ；尺。是外 回路电阻，Q ；厶是外电路电感，H 。 式( 2 ) 和式( 3 ) 组成一对耦合方程组：等离子体片 的运动方程与放电电流密切相关，而等离子体放电电 流的变化又受等离子体片的运动位置和速度的影响。 2 3 数值模拟结果 对前面的耦合方程组进行整理变换【5 1 ，得到 j M z 】孑0 2 q 舯6 辩+ ( 1 叻嘲，( 4 ) l z 警+ ) 2 = 毛噔- 1 1 _ ) 2 其初始条件为 q l ，：。= o 塑I ：o 出b z I= A 0 l t = 0 d z l ：o d t l f ：o 式中：k , - 硒p l 万n ( b 丽a ) ；乞2 去l I l ( 鲁) ；g 是 电容器带电电量，C ；C 为电容器电容，F 。 利用式( 4 ) 对等离子体片的运动进行数值模拟 计算，计算时初始输入参数如下： 同轴枪内径1 4 m i i l ，外径4 0 m m ，长1 5 c m ， 充入气体的密度为5 x 1 0 之k e g m 3 ，充电电压1 5k V ， 电容器电容1 2 8 心，外电路电感2 0 0 n H ，外电路电 阻为O 0 1 Q 。 经过数值模拟计算，输出结果用图形表示为 图3 图5 。 图3 等离子体片位移随时间的变化( 一维) V a r i a t i o no f p o s i t i o nf o rt h ep l a s m ap i e c e ( o n ed i m e n s i o n a l ) 等离子体片运动速度随时间的变化( 一维) V e l o c i 钞V a t i m ef o r t h ep l a s m ap i e c e ( o n ed i m e n s i o n ) 3 4 “ 妒 图飚 F 万方数据 航天器环境工程 第2 7 卷 时恻， 图5 等离子体放电电流随时间的变化( 一维) F i g 5 P l a s m ad i s c h a r g ec u r r e n tv e r s u st i m e ( o n ed i m e n s i o n a l ) 等离子体片从绝缘子运动到阳极的末端，所走 过的轴向位移z = 1 5c m 。从图3 可以看到走完z = 1 5c m 的位移，所花时间约为7u s 。从图4 可以看 到，等离子体片的运动速度有一个最大值，当时间 为7 “s 时，速度达到3 5 k m s 以上，比较接近最大 值。从图5 可以看到，当时间约为7u s 时，放电电 流达到一个4 0 0k A 的峰值，该值与实际试验中测 得的值相近。数值模