文章导读

螺旋波等离子体推进器 (HPT) 是一种无电极式的新型电推进系统，具有结构简单、质量较轻且比冲高、寿命长的特点，在航天器的位置保持、姿态控制、轨道机动以及深空探测等方面具有广泛的应用前景。其结构主要由螺旋波等离子体源和磁喷管结构组成。其中，磁场结构对于推进器中的等离子体产生和加速有着重要的影响。电子科技大学航空航天学院的田滨、谢侃及其团队在 Aerospace 期刊发表了关于不同磁场构型对螺旋波等离子体影响的文章，介绍了不同磁场构型下波在等离子体中的传播规律和能量吸收机制，该项研究对于认识螺旋波等离子体中的物理机制以及推进器相关性能的优化具有重要作用。

螺旋波等离子体磁场构型示意图

研究过程与结果

作者在文中基于频域的二维等离子体与波相互作用的模型，利用有限差分和嵌套网格算法，对不同磁场构型下螺旋波等离子体中波的传播过程进行数值模拟，研究了不同磁场分布对波的传播形式和能量沉积规律的影响。由于电磁波在等离子体中的传播满足麦克斯韦方程组，该模型采用冷等离子体假设，利用等离子体介质张量一般形式，基于傅里叶变换，建立了频域下的等离子体波动方程。在数值方法上，选用嵌套网格离散法 (Yee’ scheme)，利用有限差分法进行数值求解，可有效的处理螺旋波等离子体的边界条件，并提高求解的效率。另外，本文采用单磁感线圈的形式，通过改变磁场线圈的位置来得到不同磁场的构型。同时，利用安培定律，求解得到不同磁场构型下的磁场空间分布，并与波动模型进行耦合求解不同磁场构型下，波在等离子体中的传播情况。

研究表明，由于特征模的影响，电磁波在等离子体中的传播在轴向呈现周期性的结构，并导致其能量沉积在轴向出现与能量密度当地最大值对应的“热区”。该现象与非均匀螺旋波等离子体的频散关系一致，其特征模受到磁场强度和密度等因素的影响。当磁感线圈靠近等离子体源时，等离子体中的外加磁场变得更加的弯曲，且线圈附近的磁场强度增大，波的传播将随着磁感线的弯曲而变化，但在轴向仍呈现周期性的结构。并且，随着磁感线的弯曲，观察到电磁波在边界处的反射更加明显，且随着磁感线的弯曲而变化角度。此外，当磁感线圈靠近至等离子源边界附近时，磁场在等离子体中形成一个凹形的强磁场区域，在这个区域内由于磁场强度极大且磁感线密集，导致电磁波几乎无法在这个区域传播。因此，在此区域的也几乎没有能量沉积，形成了一个能量吸收的“暗区”。

不同磁场构型下等离子体中能量沉积密度的空间分布情况

研究总结

本文介绍了螺旋波等离子体推进器中基于频域的二维等离子体与波相互作用的波动模型及其数值算法，详细研究了不同磁场构型下电磁波在螺旋波等离子体中的传播规律和能量沉积机制。通过改变磁场线圈的位置，改变螺旋波等离子体中外加磁场的构型，并利用安培定律耦合螺旋波等离子体的波动模型，对波在等离子体中传播过程进行数值求解。总结了不同磁场构型下波的传播和能量吸收的一般规律，并对天线阻抗进行了计算和分析，得到了不同磁场分布下天线与等离子体耦合效率的一般规律。该项研究对于认识螺旋波等离子体中的一般物理机制，以及推进器中能量耦合的提升、性能的优化具有积极的意义。

原文出自 Aerospace 期刊

Tian, B.; Xie, K.; An, B.; Wang, J.; Yang, S.-L.; Cao, Y. Analysis of Wave Propagation with Different Magnetic Configurations in Helicon Plasmas. Aerospace 2024, 11, 277.https://www.mdpi.com/2735872

文章所属特刊

阅读特刊更多文章：https://www.mdpi.com/journal/aerospace/special_issues/5AD0JWUHQN

Aerospace 期刊介绍

主编：Konstantinos Kontis, University of Glasgow, UK

创刊于2014年，致力于发表与航天航空科学、工程和技术领域相关的研究类和综述类文章。期刊已被 SCIE、Scopus 和 Inspec (IET) 等重要数据库收录。

2023 Impact Factor：2.1

2023 CiteScore：3.4

Time to First Decision：24 Days   

Acceptance to Publication：2.8 Days