电子回旋共振等离子体推力器放电机理数值模拟研究

电子回旋共振等离子体推力器(ECRPT)是一种高比冲、高效率且结构简单的新型电磁式推力器。为了研究推力器的放电原理和工作机制,采用漂移-扩散流体模拟方法,仿真模拟了微波等离子体放电过程。仿真结果表明,电子数密度达到10~(16)~10~(17)m~(-3)数量级,氙气的电子数密度比氩气高50%;电子数密度、碰撞功率损耗均随着计算域内压强的增大而增大,电子温度随压强的增大而减小;电子数密度、碰撞功率损耗随着入射微波功率的增大而增大。在未来ECRPT的实际应用中,可以通过使用氙气,适当增大推力器腔内压强以及入射微波功率,使其具有最佳的推力、比冲和工作效率。     

700W功率HET-80霍尔推力器束流特性研究

霍尔推力器的束流特性能够体现推力器的工作状态,为了了解额定功率1350W的Hall Effect Thruster-80(HET-80)霍尔推力器在700W功率下的工作状态,研究设计了一套等离子体诊断系统,包括了法拉第探针、平面型Langmuir单探针、阻滞能量分析仪(RPA)和发射光谱,对HET-80霍尔推力器在700W功率下的束流特性进行了诊断实验。实验结果显示:700W功率工况下HET-80霍尔推力器束流发散半角为45°,整体呈现出纺锤形分布,束流中心区域的离子电流密度分布呈现出圆环型霍尔推力器典型的双峰结构;由于等离子体的复合碰撞导致离子量变少,实验中法拉第探针测量得到的积分电流随着轴向距离增加而减小;在束流区边缘发生了较多的CEX碰撞,使该区域电子温度骤升;中心区离子能量接近247e V,相较于推力器放电电压310V,评估霍尔推力器加速效率达79.6%,加速效率较好,整体束流结果表明HET-80霍尔推力器在700W功率工况下表现正常。实验中发现法拉第探针结合RPA测量出来的离子数密度较Langmuir探针测量出的离子数密度更为准确;由于霍尔推力器只有一个空心阴极,发射光谱得到的出口附近电子温度和离子原子相对浓度分布均为空间非均匀状态。     

螺旋波等离子体推力器放电过程的流体模拟

针对建立三维数值模型对螺旋波等离子体推力器放电进行数值模拟计算量过大的问题,使用COMSOL多物理场软件建立了二维轴对称结构,采用漂移-扩散流体模拟方法,分别改变工质气体种类、气体压强及射频功率,模拟了螺旋波等离子体放电过程,分析了不同参数条件下放电室中电子数密度、电子温度、碰撞功率损耗分布情况,结果显示,在一定条件下气体压强越大,电子数密度越高,电子温度越低,碰撞功率损耗越大,在1600～2400 W范围内,随着射频功率增大,电子数密度和碰撞功率损耗增加,电子温度变化较小,电子数密度在10~(18 ) m~(-3)左右,为螺旋波等离子体推力器的设计与实验研究提供了参考。     

离子发动机羽流特性的数值模拟

离子发动机羽流中产生的交换电荷(CEX)离子返流会影响航天器的正常工作.建立离子发动机羽流模型,采用单元内粒子方法(PIC)对羽流场进行数值模拟计算.结合DS-1探测器飞行实验的测量结果,分析了卫星电势、电子温度、卫星几何尺寸、推力器工作特性等对相关因素对CEX离子返流特性的影响.结果表明:从推力器出口附近到卫星背面,CEX离子密度为108~1012m-3.当卫星电势从-15V变化到27V,测量点位置处CEX离子密度从0.65×1012m-3变化到1.5×1012m-3.羽流中CEX离子密度和电势结构随电子温度变化不大,但电势大小随电子温度成比例地变化.同一位置处不同工况下CEX离子的密度可根据CEX离子生成率与工作点参数间的关系式准确地估计.卫星安装推力器的表面起着对CEX离子返流屏蔽和降低的作用.      

电弧加热发动机羽流电子温度及电子数密度的双静电探针测量

研制了一套双静电探针测量系统,对以氩气为推进剂的1kW级电弧加热发动机羽流进行了测量,得到了电子温度和电子数密度的轴向和径向分布,以及随弧电流、气流量的变化趋势。结果表明,羽流显著偏离局域热力学平衡状态,电子温度呈现复杂的分布和变化趋势。羽流轴线上的电子温度明显低于偏离轴线处的值,而电子数密度远高于偏离轴线处的值;羽流轴线上的电子温度随弧电流的增加而降低,电子数密度随弧电流的增加而增加;羽流中心区电子温度随气流量的变化趋势不明显。     

Maxwell模型中keV能量的Xe粒子对铜表面的适应系数

使用热流传感器对氙离子推力器轴向距离为500、700 mm和900 mm,径向角度为0°~15°(推力器出口平面中心为圆心,推力器出口轴线为0°)范围内羽流热流密度的分布进行了实验研究,获得了热流随角度和半径变化的实验数据。采用PIC-DSMC (particle in cell direct simulation of Monte Carlo)算法在不同适应系数下对实验条件进行仿真分析,对比仿真结果和实验结果得到适应系数。结果表明:keV能量的Xe粒子对热流传感器表面(铜)的适应系数接近1。     

脉冲等离子体推力器羽流特性数值研究

以脉冲等离子体推力器羽流为研究对象,建立三维物理模型,简化并离散电子动量方程,运用单元粒子-直接模拟蒙特卡罗混合法模拟非稳态羽流流动.假定脉冲周期内推进剂粒子按正弦规律进入流场,分析流场中电势、电子、离子和原子数密度分布随着时间变化情况,并通过与已有实验数据的对比验证仿真模型.研究表明:模型能在垂直和平行于推力器极板的两个平面内预测等离子体羽流流场参数.该研究方法、结果对更深入研究脉冲等离子体推力器(PPT)羽流具有参考价值.      

20A发射电流空心阴极小孔区等离子体特性研究

为了获得30cm口径离子推力器20A额定发射电流空心阴极工作时小孔区的等离子体特性参数,并验证现有阴极小孔结构设计下的阴极电流发射能力,采用数值模拟及有限元分析方法研究了空心阴极小孔区的等离子体特性参数。结果显示:空心阴极小孔区的中性原子密度基本在4×10~(21)~6×10~(21)/m~3,分布较为均匀且越靠近小孔出口区域的原子密度越低;当阴极发射体温度为1800K时,采用等离子体零维扩散模型得到阴极小孔区轴向平均电子温度约为2.66e V,且靠近阴极顶小孔出口方向电子温度相对较高,从小孔区入口至出口电子温度增幅在1~2e V;通过离子连续性方程得到阴极孔区内,等离子体密度约在1×10~(21)~1.4×10~(21)/m~3,靠近出口处的等离子体密度降低较为明显;通过电子连续性方程,得到小孔区入口处的电子电流约为7.2A,而出口处的电子电流约为11.6A,与性能测试试验结果一致,电子电流增益系数约60%;离子电流密度峰值约为6.16×106A/m~2,出现在距离小孔入口约0.5mm处。通过理论分析认为,阴极孔区的腐蚀特点是靠近出口处的直径在离子腐蚀作用下不断地扩张,并在扩张到一定程度后,孔区出口处被腐蚀后的直径将不会再发生变化,理论分析腐蚀趋势与兰州空间技术物理研究所研制的LHC-5阴极小孔区寿命试验腐蚀情况基本一致。     

一种用于纳米颗粒场致发射推力器的自中和技术

纳米颗粒场致发射推力器(NFET)是一种用于微小卫星的固体工质静电推力器,为促进NFET的工程研制,提出一种新的自中和技术——反向充电中和策略。为研究这种自中和技术的设计方法,建立相应的数值模型以模拟该中和技术下羽流输运过程,并且,在真空舱中开展NFET的羽流测量试验来验证中和模型的正确性。以比色温度计和"打靶法"装置来分别测量羽流温度分布和推力,通过试验与仿真结果的对比,羽流温度变化的试验结果与仿真结果在定性规律上一致,推力的计算误差在9%～10%。在验证模型正确性的基础上,利用该数值模型对关键设计参数进行数值分析。结果表明:引出极与发射极的内径比变化会导致外加电场对剩余电荷颗粒作负功,引起推力下降,该物理参数在0.94附近时,推力达到极大值;而随着颗粒直径的增加,羽流中和区域整体向下游推移,推力升高。本文结论可为NFET的反向充电中和策略提供设计参考。     

离子液体电喷推力器羽流中和特性研究

电推进装置的带电羽流会对航天器产生多种危害,为了降低离子液体电喷推力器带电羽流对航天器产生的潜在安全风险,需要对其进行羽流中和.根据离子液体电喷推力器的羽流自中和特性,提出了时间变化法和空间变化法,并对其进行了实验验证.用时间变化法分析了单推力器的脉冲电压的频率、幅值和占空比对羽流中和特性的影响.以20Hz作为实验的条...     

Characterization of Solar Coronal Holes and Plumes Using Spectroscopic Diagnostic Techniques Applied to SOHO/CDS Observations

Results from a series of SOHO/Coronal Diagnostic Spectrometer (CDS) observations of coronal holes and plumes are presented, including analysis of a low-latitude plume observed in August 1996. Spectroscopic diagnostic techniques using the CHIANTI atomic database are applied to derive the plasma parameters: electron density, temperature, and element abundances. The results are compared with quiet sun values. Coronal electron densities in the holes are found to be about 2 × 10⁸ cm^-3, a factor of two to three lower than in the quiet sun. The plasma thermal distribution exhibits differences between coronal holes, the quiet sun and plumes. For example, the peak of the emission in coronal holes is at a lower temperature (T ⋍ 8 × 10⁵ K) than in the quiet sun (T ⋍ 1 × 10⁶ K), while plumes are cooler (T ⋍ 7.6 × 10⁵ K) and show a different distribution, closer to an isothermal state. This revised version was published online in June 2006 with corrections to the Cover Date.     

圆柱形阳极层霍尔推力器内轮辐效应的实验研究

为了研究圆柱形阳极层霍尔推力器内关于电子反常输运的轮辐效应(Rotating Spoke),分别采用高速相机和静电探针来捕捉圆柱形阳极层霍尔推力器内的轮辐效应图像和等离子体震荡频率。结果表明:在放电电压350V,放电电流3.5A,阳极上表面处的磁场强度为125Gs,工作气压为2×10-2Pa时,由测得轮辐效应的放电图像和波形可知,轮辐效应的频率为10kHz～12.5kHz。当磁场强度增加到205Gs,放电电流增加到4A时,轮辐效应的频率增加到25kHz,并且轮辐效应出现分裂和合并现象。此研究结果表明,圆柱形阳极层霍尔推力器内不仅存在轮辐效应现象以及角向电场,而且不同的工作参数会有不同的轮辐效应模式和频率。     

带斜孔肋大宽高比矩形通道的强化传热特性

为了获得带斜孔肋大宽高比矩形通道的强化传热特性,并寻求最佳的孔排倾斜角度,调节孔排倾斜角度和通道雷诺数,使其分别在0°~30°和3×104~9×104范围内变化,通过数值计算系统分析了通道摩擦因数和带肋壁努塞尔数等参数的变化规律.研究发现:相比于常规肋片,新型斜孔肋有效改善了肋片后方紧邻肋片的局部区域的壁面换热,并降低通道的摩擦因数,但传热增强因子有所减小;随着孔排倾斜角度的增大,通道的相对摩擦因子单调升高,传热增强因子则呈现出先升高后降低的变化过程,因此存在着最优孔排倾斜角度为15°,此时斜孔肋的强化传热综合指标达到最大值;随着通道雷诺数的增大,斜孔肋通道的摩擦因数小幅减小,换热则逐渐增强.      

Effects of coarse riblets on air flow structures over a slender delta wing using particle image velocimetry

This research investigates the aerodynamic performance and flow characteristics of a delta wing with 65° sweep angle and with coarse axial riblets,and then compares with that of a smooth-surface delta wing.Particle Image Velocimetry(PIV)were utilized to visualize the flow over the wing at 6 cross-sections upright to the wing surface and parallel to the wing span,as well as 3 longitudinal sections on the leading edge,symmetry plane,and a plane between them at Angles of Attack(AOA)=20°and 30°and Re=1.2×10~5,2.4×10~5,and 3.6×10~5.The effects of the riblets were studied on the vortices diameter,vortex breakdown location,vortices distance from the wing surface,flow lines pattern nearby the wing,circulation distribution,and separation.The results show that the textured model has a positive effect on some of the parameters related to drag reduction and lift increase.The riblets increase the flow momentum near the wing’s upper surface except near the apex.They also increase the flow momentum behind the wing.     

Composition of Interstellar Neutrals and the Origin of Anomalous Cosmic Rays

Knowledge of the elemental composition of the interstellar gas is of fundamental importance for understanding galactic chemical evolution. In addition to spectroscopic determinations of certain element abundance ratios, measurements of the composition of interstellar pickup ions and Anomalous Cosmic Rays (ACRs) have provided the principal means to obtain this critical information. Recent advances in our understanding of particle acceleration processes in the heliosphere and measurements by the Voyagers of the energy spectra and composition of energetic particles in the heliosheath provide us with another means of determining the abundance of the neutral components of the local interstellar gas. Here we compare the composition at the termination shock of six elements obtained from measurements of (a) pickup ions at ～5 AU, (b) ACRs in the heliosphere at ～70 AU, and (c) energetic particles as well as (d) ACRs in the heliosheath at ～100 AU. We find consistency among these four sets of derived neutral abundances. The average interstellar neutral densities at the termination shock for H, N, O, Ne and Ar are found to be 0.055±0.021 cm^?3, (1.44±0.45)×10^?5 cm^?3, (6.46±1.89)×10^?5 cm^?3, (8.5±3.3)×10^?6 cm^?3, and (1.08±0.49)×10^?7 cm^?3, respectively, assuming the He density is 0.0148±0.002 cm^?3.     

基于静动态特性的偏置动量轮轮体结构优化

对最高转速7000 r/min的3N·m·s偏置动量轮轮体综合其静动态特性建立结构优化数学模型,进行优化设计.依据人工材料变密度法,对轮体进行三维静动态拓扑优化,得到趋于4根工字梁辐条结构的概念模型;并提出工字梁与矩形辐条两种模型,采用ANSYS零阶方法分别进行尺寸优化,所得体积均为1.51×10-4m3,但工字梁辐条轮体一阶弹性频率(1468.0 Hz)高于矩形辐条轮体(1413.5 Hz),结构更优,进而验证了拓扑优化结果的合理性.研究方法对减小设计质量、降低轮体振动水平等具有借鉴作用.      

Atom-Based Test of the Equivalence Principle

We describe a test of the equivalence principle with quantum probe particles based on atom interferometry. For the measurement, a light pulse atom interferometer based on the diffraction of atoms from effective absorption gratings of light has been developed. A differential measurement of the Earth’s gravitational acceleration g for the two rubidium isotopes ⁸⁵Rb and ⁸⁷Rb has been performed, yielding a difference Δg/g=(1.2±1.7)×10^?7. In addition, the dependence of the free fall on the relative orientation of the electron to the nuclear spin was studied by using atoms in two different hyperfine states. The determined difference in the gravitational acceleration is Δg/g=(0.4±1.2)×10^?7. Within their experimental accuracy, both measurements are consistent with a free atomic fall that is independent from internal composition and spin orientation.     

Ion Temperatures as Observed in a Solar Coronal Hole

From the widths of the extreme ultraviolet (EUV) lines measured by the SUMER instrument on SOHO, it was found previously (Tu et al. 1998) that the average temperature of Ne⁺⁷, at heights (relative to h₀) above the southern solar limb from 17″ to 64″, ranges between 1.3 and 5 × 10⁶ K and of Ne⁺⁶ between 1 and 4 × 10⁶ K. For mass-per-charge numbers greater than 4 the temperatures of the ions increase slightly with increasing mass-per-charge, while the thermal speed reveals no clear trend. We present a new data set with exposure times much longer than the ones in the previous study. The results obtained from line width analysis of Fe XII (1242 Å), Mg X (1249 Å), Mg VIII (772 Å) Ne VIII (770 Å), and Si VIII (1445 Å) support our previous study. In this case, the trend of increasing temperature begins at a mass-per-charge number of 3. A qualitative explanation based on ion-cyclotron-resonance heating within linear kinetic theory is suggested.