磁等离子体发动机中离子回旋共振天线参数优化

磁等离子体发动机(Magnetoplasma Rocket Engine,MPRE)的离子回旋共振加热(Ion Cy?clotron Resonance Heating,ICRH)单元中射频天线是能量注入元件,其参数直接影响能量耦合效率.为优化ICRH天线参数,建立了ICRH中粒子模拟(Particle In Cell...     

高功率螺旋波等离子体诊断试验研究

高功率螺旋波等离子体源作为可变比冲磁等离子体发动机(Variable Specific Impulse Mag-netoplasma Rocket,VASIMR)的第一级,其参数直接影响发动机的性能。为提高螺旋波源的等离子体密度和工质电离率,以4kW螺旋波等离子体源为研究对象,利用射频补偿Langmuir探针诊断等离子体的离子密度和电子温度。试验结果表明,在强磁场条件下,随着功率的升高,螺旋波等离子体源内部共出现两次放电模式转换,最终进入了螺旋波放电模式。在达到螺旋波放电模式后,羽流区域的等离子体密度超过1×10~(12)cm~(-3),初步评估,放电天线区域的离子密度超过2×10~(14)cm~(-3),离子密度在放电管中心区域较高,沿径向逐渐降低。研究结果为30kW磁等离子体发动机的研制提供依据。     

径向压力和温度分布对螺旋波等离子体波场和能量吸收影响研究

为了揭示螺旋波等离子体推力器中的等离子体源功率耦合机理,针对气体工质电离后被射频加热的稳态过程,考虑等离子体密度非均匀分布条件,采用三参数压力函数(fa,sp,tp)和温度函数(f_a,s_t,t_t)表示柱状等离子体内压力和温度的径向分布,分析了径向压力梯度、温度梯度对螺旋波等离子体内功率沉积、波电场、波磁场和电流密度的影响。考虑梯度为正,梯度为负和梯度为零三种梯度类型。结果发现:压力梯度为正时,螺旋波在等离子体临近壁面处的功率沉积减弱,但射频波透入深度增加,原因是靠近管壁处等离子体密度较低,RF波径向单位长度衰减较少,透入深度增加。温度梯度为负时,柱状等离子体中心处能量沉积变强,原因是管中心位置等离子体密度较大,电子温度较高,与RF波能量耦合增强;横向截面的电磁场、电流密度分布在不同压力和温度梯度下基本不变,证明了m=1模式的稳定性。     

发散磁场中等离子体加速和推进性能数值研究

稳态螺旋波等离子体推力器中,源室放电获得的一定能量的等离子体经过磁喷管加速产生预定的推力和比冲。为了分析在发散磁场约束下,等离子体的运动受约束磁场和内能变化的影响规律及其推进性能,引入了考虑电子和离子不同响应的二维轴对称数值模型。计算了入口中心磁感应强度[B0]为100～500G、电子温度[Te0]为3.0～10.0eV时等离子体的运动。结果表明,入口等离子体的内能增加,[B0]保持100G不变时,其最终膨胀的绝对速度增加,比冲从400s提高到约为580s;内能变化对比冲[Isp]的影响大于磁感应强度。不考虑等离子体与磁场相互作用情况下,文中计算的磁场范围可以最大限度地将内能转化为等离子体的轴向定向动能;为了提高[Isp],应适当增加电离段等离子体获得的能量,且可以适当降低对产生约束磁场的电流线圈输入能量要求。     

高功率波加热磁等离子体推力器研究现状与展望

波加热磁等离子体推力器具有适于高功率运行（约100 kWe～1 MWe）、高推力密度（约4×105 N/m2）、可变推力（约1～100 N）和可变比冲（约3 000～10 000 s）等优点,是适用于未来多种空间任务的高性能电推力器。结合波加热磁等离子体推力器的发展历程,梳理了近年来波加热磁等离子体推力器的国内外研究现状,总结了其发展面临的单程离子回旋共振加热、等离子体分离控制、强磁场中高密度等离子体诊断等理论问题,以及高效热管理、高功率射频电源等工程难点。最后,根据波加热磁等离子体推力器的特点,对其具体应用方向做出了展望。     

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。     

高超声速钝锥体等离子体流场数值模拟

以小钝锥体为对象建立二维几何模型,利用COMSOL Multiphysics软件对等离子体流场控制方程组进行求解,对高超声速气流流过模型所产生的等离子体流场进行数值模拟.仿真得到了在模型头部激波、尾部膨胀波和尾后激波的共同作用下,考虑烧蚀反应时流场的速度、温度、压强和等离子体电子数密度分布,重点分析了钝锥体模型等离子体包覆层和尾后电子分布的特征和成因.可以为高超声速飞行器的探测和控制提供重要的借鉴和参考.     

射频离子推力器热特性仿真分析

为了分析射频离子推力器热特性，建立了射频离子推力器整体热模型，基于二维流体模型，对11cm射频离子推力器开展了放电室等离子体仿真，获得了电子温度、电势分布等关键参数；以等离子体仿真结果和实测束电流为输入，获得了各热源的热通量；通过有限元计算获得了关键部组件的温度分布，与实验结果进行了对比分析。研究结果显示：放电室内电子温度约为3.6eV~3.9eV，等离子体电势最高20V，发热损耗主要来自带电粒子轰击放电室壁面和栅极造成的能量沉积、激发原子的热辐射以及射频线圈自身的发热损耗，温度仿真与实测结果一致性良好，最大误差7%，仿真得到的温度分布可以作为输入参数进一步研究栅极受热形变及对束流的影响。     

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。     

基于螺旋慢波加热机制的电子回旋共振离子源电磁计算分析

为提高电子回旋共振离子推力器(ECRIT)的推力,扩展其应用领域,从制约离子源电离度的电子加热机制出发,研究螺旋慢波条件下ECR离子源的电子加热机制,并与传统耦合天线的加热机制进行对比,得到了螺旋慢波的加热特点。基于螺旋天线的色散方程,采用有限元方法,计算并分析不同结构参数下离子源放电室内静磁场、微波电场和ECR区电子获能指标的分布规律,最终获得螺旋慢波加热的新型ECR离子源结构。计算结果表明,螺旋慢波条件下,电子加热范围得到显著拓宽,更有利于离子源电离度的提高。在输出频率4.2GHz、输出微波功率30W和给定离子源腔体结构条件下,以最宽电子加热范围为目标,计算得到离子源最佳的螺旋慢波耦合天线和磁路结构,此时螺旋角为7°,磁环位置为a=10mm,b=20mm。     

直流放电控制高速带斜坡锥体气动力的有效性研究

基于直流放电激波重构气动力控制原理，开展了带斜坡锥体模型的高速（Ma=6）气动力控制风洞试验，采用光纤天平技术，考察了模型在两种放电功率（284 W和517 W）下的气动力/力矩变化情况，并采用纹影成像研究了放电对流动拓扑的影响。纹影图像揭示了由于放电热阻塞和马赫数降低引起的波系重构现象，表现为放电诱导压缩波和再附激波弱化、角度减小。天平信号验证了放电使得模型的轴向力、法向力和俯仰力矩减小，放电功率较大时控制效果明显。通过求解带功率密度源项的Navier-Stokes方程模拟放电的加热效应，数值研究了模型气动力随功率密度的变化规律及加热位置对控制能力的影响。研究表明：模型气动力变化率与功率密度呈正相关；当以激励器的上游位置为参考点时，俯仰力矩变化显著；当加热位置靠近斜坡时，控制能力降低。     

射频离子推力器热特性仿真分析

为了分析射频离子推力器热特性,建立了射频离子推力器整体热模型,基于二维流体模型,对11cm射频离子推力器开展了放电室等离子体仿真,获得了电子温度、电势分布等关键参数;以等离子体仿真结果和实测束电流为输入,获得了各热源的热通量;通过有限元计算获得了关键部组件的温度分布,与实验结果进行了对比分析。研究结果显示:放电室内电子温度约为3.6eV～3.9eV,等离子体电势最高20V,发热损耗主要来自带电粒子轰击放电室壁面和栅极造成的能量沉积、激发原子的热辐射以及射频线圈自身的发热损耗,温度仿真与实测结果一致性良好,最大误差7%,仿真得到的温度分布可以作为输入参数进一步研究栅极受热形变及对束流的影响。     

磁场作用下螺旋波与TG波耦合模式数值模拟研究

为了研究螺旋波放电的高电离效率,揭示螺旋波等离子体推力器射频功率向等离子体的沉积机制,对m=+1型螺旋波与TG波耦合模式随磁场的变化特征,以及对波磁场、电场、电流密度的影响规律进行了数值模拟研究。计算结果显示:B0≤500G的低磁场条件下,螺旋波与TG波构型相似,耦合较强,大部分射频功率由螺旋波耦合到TG波内,并经TG波的强阻尼作用,在天线下游0.2~0.4m距离内沉积到等离子体中;高磁场下,螺旋波向TG波的耦合效率降低,螺旋波将一部分射频能量输运到下游并持续向TG波耦合,由TG波的阻尼作用沉积到等离子体中,轴向的功率分布特征就表现为螺旋波的本征模式;随着外加磁场强度的增大,波磁场、电场的部分分量沿z轴的分布由幅值衰减状态变为准周期性波动状态,电流密度的变化特征与功率沉积密度较为相似。     

螺旋波等离子体推进研究进展

螺旋波等离子体推力器是一种新概念磁等离子体推进装置,以其电离率高、无电极烧蚀、寿命长、比冲高等优点受到国内外学者的广泛关注,该新型推力器在未来长寿命深空探测器和卫星的动力系统中具有广阔的应用前景。概述了螺旋波等离子体推力器的系统组成和工作原理、重点介绍了该推力器的研究进展、现状和关键技术,总结了国外在研的四种典型的推力器结构类型,并根据实际情况,提出了国内螺旋波技术在电推进领域的研究方向和发展思路。     

应用等离子体进行翼型升力控制的数值模拟研究

将等离子体对中性气体的作用模型化为彻体力矢量,求解带源项的Navier-Stokes方程,数值模拟了在NLF(1)-0213翼型上表面60%弦长处安装等离子体激励器对升力的控制效果.彻体力为净电荷在外加电场作用下的电场力.解拉普拉斯方程得到外加电场分布,等离子体中的净电荷分布由泊松方程给出.升力线计算结果与实验值吻合,激励器工作时,升力线向上平移,控制效果与襟翼类似.     

应用等离子体进行翼型前缘分离控制的数值模拟研究

将等离子体对中性气体的作用模型化为彻体力矢量,求解带源项的Navier-Stokes方程,数值模拟了等离子体激励器在NACA0015翼型大迎角下的分离控制效果,彻体力为净电荷在外加电场作用下的电场力.解拉普拉斯方程得到外加电场分布,等离子体中的净电荷分布由泊松方程给出.为了较好地模拟分离涡的发展,采用了雷诺平均与大涡模拟相结合的脱体涡模拟(Detached Eddy Simulation)方法.通过与实验结果对比,发现该模型能较好地模拟等离子体激励器的控制作用.     

射频电子源数值仿真及实验研究

射频电子源以其结构简单、不易受污染、寿命长、瞬时启动等优点,可以作为离子和霍尔电推进的中和器,显著提升其寿命和性能。为了研究射频电子源的优化设计方法,基于放电室等离子体整体模型和非双极流动模型开展了射频电子源性能的仿真评估,并对研制的1A级电子源样机开展了实验测试。研究结果显示:仿真与实验结果一致性较好,引出电子电流与收集电压、小孔直径、工质流率、射频功率相关,各参数相互耦合且存在最优组合,样机额定工作点下,电子源放电损耗为99W/A,工质利用率系数为11。     

Langmuir双探针测量Hall推力器羽流特性

应用Langmu ir双探针测量了距离Hall推力器出口30~100 cm的羽流特性。实验中真空舱压力保持在5×10-4~2×10-3Pa之间。实验证明,电子温度和数密度随着角度和轴向距离的变化而变化,但羽流中远场的电子温度变化幅度很小,基本稳定在0.455 eV左右;电子数密度随着与轴向距离和中心轴夹角的增加而减小。实验结果可为高性能的Hall推力器设计提供参考依据,并为等离子体羽流的数值模拟提供输入条件和验证依据。     

Hall推力器羽流数值模拟

以稳态等离子体推力器(SPT)羽流流场为研究对象,基于直接蒙特卡罗模拟与粒子单元混合方法建立数值模型,模拟等离子体稳态流动,研究流场特性。将计算结果与实验数据相比较,并与同类推力器羽流参数进行比较,以保证仿真可靠性。研究表明,所建立的仿真模型能够较好地预测SPT羽流电子数密度和离子电流密度等参数。