LIPS-200环型会切磁场离子推力器热模型计算分析

为了建立国内自行研制的20cm口径LIPS-200环型会切磁场离子推力器放电室的热模型,研究了放电室内等离子体的产生过程,得到了二次电子的温度、离子密度以及电子密度分布规律,在此基础上得到放电室各个关键部件的电流沉积和能量沉积热模型。以热模型计算结果为依据,进行了推力器稳态工作下的有限元热分析以及热平衡验证试验。结果显示:推力器处于稳定放电时,放电室内电子温度分布范围为2~4e V;电离基本发生在放电室轴线附近,此处电离产生率和电子温度最高,并且整个放电室内离子密度约为1017/m3;放电室的内表面能量沉积主要来自二次电子及Xe离子。     

准直流放电等离子体对超燃燃烧室中碳氢燃料燃烧的影响研究

为研究低燃空比条件下,准直流放电等离子对超燃燃烧室中乙烯燃烧流场的影响,在凹腔上游以及底部前壁面处布置电极产生等离子体,通过数值模拟方法,分析了不同等离子体激励强度下,燃烧室凹腔后缘附近压力分布、燃烧室总压损失、乙烯燃烧效率和燃烧室中水的分布情况。研究结果表明:准直流放电等离子体激励强度越高,对凹腔后缘附近压力场稳定能力越强。等离子体的存在,使得燃烧室出口总压损失微弱增加,损失最大值增加1.9%。燃烧室中乙烯燃烧效率平均提高1.77倍,随着激励强度的提高,燃烧效率呈现先增高后降低的趋势。等离子体改善了燃烧室中水的分布,凹腔内部产物分布范围更广、燃烧更加充分。     

非麦氏电子分布对霍尔推力器等离子体与壁面相互作用的影响

为深入分析霍尔推力器放电通道的非麦氏电子分布对等离子体与壁面相互作用的影响,采用一维非稳态鞘层动力学模型,统计了等离子体与壁面相互作用的重要物理量。结果表明,非麦氏电子分布函数和麦氏电子分布函数下等离子体与壁面相互作用存在很大差异,电子服从非麦氏电子分布时入射电子在壁面上的能量沉积,以及二次电子对主流区电子的冷却作用都明显弱于电子服从麦氏分布的情形。     

激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程实验研究

为了加深对激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程的认识，本文对有无陶瓷隔离板和不同初始电压下的激光支持的脉冲等离子体推力器进行了实验研究。利用放电伏安特性对比了放电特性参数和性能参数，然后利用结合窄带滤光镜的高速摄影技术揭示了性能差异背后的物理过程变化。结果表明，陶瓷隔离板可以有效避免放电电弧对工质的烧蚀，这可以抑制滞后烧蚀的产生，从而提高推力器的推进性能。对激光烧蚀产生的工质的电离和加速是在多次振荡放电过程中进行，而不像理想电流片模型那样只电离和加速一次。放电通道内工质的电离和加速效果最为显著的时间为放电的第2个半周期。随着初始电压的增加，单位放电能量产生的推进性能先增加后趋于平稳，然后继续增加。单位放电能量产生的推进性能在初始电压高于2050V后得到较大的提高，通过放电等离子体图像推测，这意味着附着等离子体电弧的存在对推力器性能的提高有重要影响。     

常气压辉光放电等离子体控制翼型失速的数值模拟研究

基于Shyy提出的大气压下均匀辉光放电等离子体与空气干扰的物理模型,通过求解电位势方程得到电场分布,得到了作用于流体上的电场力.通过数值求解考虑等离子体作用的流体运动控制方程,以NACA0015翼型低速绕流为对象,研究了常压辉光放电等离子体位置和个数控制翼型绕流分离的影响.位于分离点上游的等离子体能够有效地抑止翼型分离,而在分离区的等离子体对流动影响很弱,同实验结果一致,并给出了等离子体对翼型气动力影响的规律.     

等离子体对超燃燃烧室凹腔性能影响的数值研究

在超燃燃烧室凹腔上游及其底部近前壁面处布置电极产生丝状等离子体,基于准直流电弧放电热阻塞原理,采用数值模拟方法研究了等离子体对燃烧室均温、凹腔均温、剪切层、凹腔阻力以及质量交换率的影响.结果显示:等离子体对燃烧室整体的温升效应可以忽略,但能够明显提高凹腔内平均温度;受丝状等离子体对凹腔的预热及对剪切层的“切割”作用,剪切层中沿流动方向的涡强度降低,从而降低了凹腔前缘及后缘撞击激波强度,使其附近压力分布更平滑;丝状等离子体存在时,凹腔阻力系数明显下降,质量交换率也大幅提高,但增大等离子体输入功率对改善控制效果的影响不明显.     

两电极等离子体高能合成射流流场及其冲量实验研究

两电极等离子体高能合成射流激励器通过腔体内电极间的瞬时电弧放电加热腔内气体,在激励器出口产生压差并喷出高速射流,从而产生反作用力和冲量。针对两电极等离子体高能合成射流响应快、持续时间短的特点,设计了单丝扭摆式微冲量测量系统,并结合高速阴影系统,对两电极等离子体高能合成射流的流场发展过程及其单脉冲冲量特性进行了实验研究。实验结果表明,两电极等离子体高能合成射流响应时间小于10μs,射流持续时间约为1ms,射流前锋最大速度约为190m/s,射流流场发展过程中存在多道强压缩波,并以当地声速向下游传播。单丝扭摆式微冲量测量系统可实现μN·s量级冲量测量精度,单脉冲冲量约为32μN·s,并且在低频状态下射流总冲量随激励器放电频率成线性增加。     

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。     

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。     

适用于不同高度的等离子体体积力唯像学模型

针对等离子体流动控制数值模拟中唯像学模型高度适应能力不足的问题,假设等离子体中离子数密度正比于放电光强,对101.3~1.5kPa气压下等离子体放电图片进行灰度处理,得到等离子体发光的相对光强、光强比即离子数密度随气压、激励电压的变化特点。结果表明:随着气压增大,从弥散放电逐渐转化为丝状放电,而光强比逐渐减小,可以使用大气压下的饱和总相对光强代替其他气压下的结果;提高激励电压,等离子体出现双侧放电,且放电光强增大,放电电荷与激励电压近似成线性关系。进一步通过理论推导建立了新的电荷分布边界条件,并拟合了多个气压和激励电压下等离子体发光的相对光强,然后选择其中两个典型工况进行数值模拟,将计算结果与相应气压下等离子体诱导射流激光粒子图像测量结果进行比较,对该模型进行了验证,表明该模型能够准确模拟飞行高度、激励电压对等离子体诱导射流的影响。      

考夫曼离子推力器放电室数值模拟研究综述及展望

首先分析了影响考夫曼离子推力器放电性能的关键因素,然后按照仿真模型的维度对考夫曼离子推力器放电室数值模拟方法进行了分类综述和优缺点分析,并针对以流体方法为基础的各向异性界面问题进行了分析。在此基础上,概述了零维模型、二维模型和三维模型下针对放电室所取得的数值模拟研究结果。最后对考夫曼离子推力器放电室数值模拟研究进行了总结及展望。     

配电方式对Kaufman离子推力器性能的影响研究

目前Kaufman离子推力器主要有两种最具代表性的配电方式:屏栅极电源正端分别连接阳极电源正、负端的配电方式。为了研究配电方式对Kaufman离子推力器工作性能的影响,基于等离子体理论和推力器工作原理,分析两种主要配电方式下放电室电极电势及电流平衡关系,推导了放电室等离子体特性表达式,理论分析了配电方式对离子推力器多种性能参数的影响。结合兰州空间技术物理研究所自研的LIPS300离子推力器在两种配电方式下工作在3kW和5kW的性能试验,通过解析方法对离子推力器多种工作参数和性能参数进行分析,试验结果与理论分析结果具有良好的一致性。研究表明:采用屏栅极电源正端连接阳极电源负端的配电方式能够获得更大的推力和比冲,并能提高离子对栅极透明度,减少离子对屏栅极的溅射,从而提高栅极寿命,但束离子产生成本稍高。研究结果可为离子推力器配电方式的设计与优化提供依据。     

改善离子推力器束流均匀性的方法

离子推力器的束流分布,直接影响离子推力器离子光学系统（亦称栅极组件）的性能和寿命。通过对离子推力器离子光学系统的改进和放电室磁场的优化,使束流均匀性系数R值达到0.7左右。离子推力器束流分布均匀性的有效提高,有助于改善离子光学系统的受热分布,降低离子光学系统的温度,并能减小其温度差,使离子光学系统的热应力和热变形降低,进而延长离子推力器的寿命。     

电子回旋共振离子推力器放电室低信号调试

微波输入技术是电子回旋共振离子推力器的关键技术之一,输入微波在推力器放电室内产生谐振的时候,微波功率才能高效地被吸收,从而电离气体,提高电子的能量,增加等离子体的电离度。电子回旋共振离子推力器放电室是一个不规则的微波谐振腔,很难从理论上确定其谐振状态下的结构。本文利用网络分析仪,采用微波无源器件回波损耗的测试方法对放电室进行精确调谐,分析微波谐振频率及带宽,目的在于详细研究放电室的结构尺寸、微波耦合探针形状和尺寸在谐振状态下的匹配性。调试结果表明放电室增加14 mm圆柱段,选择圆柱段长度22 mm和球形直径9 mm的组合探针,可以得到较好的谐振状态,此时腔体的回波损耗为-23 dB,谐振频率4.195 GHz,谐振带宽为0.025 0 GHz,品质因素为167.848。     

氙离子推力器阳极工质分配方式优化

使用两种数值方法研究微尺度下惰性气体的流动现象,验证表明壁面速度滑移条件的N-S（Navier-Stokes）方法能够较好地模拟离子推力器气体分配环内工质流动特性.为了降低氙工质注入放电室过程中气流速度,并改善其周向均匀性,针对现有气体分配环构型提出符合4级环切场离子推力器放电特性的改进方案:增加2级供气通道,进行双侧45°角开孔并增加气孔数目.数值计算表明:结构优化后氙气进入放电室周向均匀性提高37%,气流速度降低32%；推力器装配优化方案气体分配环进行实验,大束流工况下束离子电离能耗自183W/A下降至167W/A,离子推力器放电室性能得到了提高.      

What auroral electron and ion beams tell us about magnetosphere-ionosphere coupling

The electron and ion beams which have been detected on many rockets and satellites are of particular interest because beam particles carry information about both the ionosphere and the magnetosphere out to the distant tail. Stability analyses have shown that even the most dramatic beams have evolved until the particle distribution functions are only weakly unstable. The shortest plasma wave growth lengths in the auroral region are usually comparable to the size of an arc. The resulting clearest electron beams generally are relatively minor features of distribution functions which are dominated by plateaus, loss cones, broad or stretched out field aligned features, and hot or cold isotropic components. The true electron beams therefore represent a small fraction of the total electron number density. Ion beams carry a much larger fraction of all ions, but also are only weakly unstable. The electron beams seen at low altitudes can drive whistlers (both electromagnetic and electrostatic, including lower hybrid waves) and upper hybrid waves, which may be particularly intense near electron gyroharmonics. Ion beams can drive low frequency electromagnetic waves that are related to gyrofrequencies of several ion species as well as ion acoustic and electrostatic ion cyclotron waves. These latter waves can be driven both by the drift of ion beams relative to cold stationary ions and by the drift of electrons relative to either stationary or drifting ions. Abrupt changes or boundaries in the electron and ion velocity space distribution functions (e.g. beams and loss cones) have been analyzed to provide information about the plasma source, acceleration process, and regions of strong wave-particle interactions. Fluid analyses have shown that upgoing ion beams carry a great deal of momentum flux from the ionosphere. This aspect of ion beams is analyzed by treating the entire acceleration region as a black box, and determining the forces that must be applied to support the upgoing beams. This force could be provided by moderate energy (10's of eV) electrons which are heated near the lower border of the acceleration region. It is difficult to use standard particle detectors to measure the particles which carry electric current in much of the magnetosphere. Such measurements may be relatively easy within upgoing ion beams because there is some evidence that few of the hard-to-measure cold plasma particles are present. Therefore, ion beam regions may be good places to study fluid or MHD properties of magnetospheric plasmas, including the identification of current carriers, a study of current continuity, and some aspects of the substorm and particle energization processes. Finally, some of the experimental results which would be helpful in an analysis of several magnetospheric problems are summarized.     

双补燃室固冲凝聚相颗粒分布对比试验研究

针对固冲发动机燃烧效率较低以及凝相粒子分布规律不清楚的现状，本文建立了一套评价固冲发动机燃烧效率的双补燃室试验装置和研究凝相颗粒分布的取样装置。对比研究了结构相同的补燃室内的参数，其误差小于0.5%，说明该装置可以用于精确对比不同补燃室的燃烧效率。然后应用该装置完成了补燃室长度分别为600mm、800mm、1000mm，进气角度分别为30°、45°、60°的对比试验，分析了粒子的粒度分布规律和化学成分变化规律，该规律与数值分析的规律相同。试验结果表明：在进气角度不变情况下，补燃室长度增加有利于提高燃烧效率，燃烧室压强提高，凝相粒子直径明显减小，B粒子燃烧更充分；在补燃室长度为1000mm的情况下，进气角度增加有利于燃烧效率增加，燃烧室压强提高，粒子直径减小，B粒子燃烧更充分。双补燃室发动机是评价补燃室燃烧效率的有效装置，粒度分布和燃烧产物的化学成分有助于补燃室结构设计。     

离子推力器欠聚焦冲击电流的数值模拟

离子光学系统的离子束引出过程是离子推力器重要的物理过程,该过程直接关系到推力器的推力、比冲、效率等参数。为研究离子在离子推力器光学系统中的运动特性,使用了基于IFE-PIC（Immersed Finite Element Particle-In-Cell）的离子推力器光学系统离子束引出过程的三维数值计算模型,计算了栅极间电场分布、电荷密度,栅极冲击电流及欠聚焦极限。计算结果表明,当屏栅极电压不同时,发生欠聚焦的等离子束电流也不同。在欠聚焦工况下,一部分离子与栅极碰撞,产生冲击电流。冲击电流随电离室等离子体数密度增加而增大。     

Confinement characteristic of primary electrons with the variation of channel width in the discharge chamber of annular ion thruster

In this paper, the confinement characteristic of primary electrons in the non-axisymmetric discharge chamber of annular ion thruster is investigated by a three-dimensional (3D) non-self-consistent particle tracking model with Monte Carlo Collision (MCC) method. The results show that: The density of primary electrons upstream of ion optics on cathode axis is about 5–50 times higher than that of the other side, which means that the density of primary electrons is obviously non-axisymmetric. The channel width has a significant effect on the average density and uniformity of primary electrons. The average density can be increased by nearly 1.5 times under the appropriate channel width, meanwhile, the variance of density distribution can be reduced by more than 2 times. This is because that increasing the channel width can improve the average confinement length of primary electrons greatly. Furthermore, there is an infection point in the increase of primary electron average confinement length with the channel width, which caused by the significant change of magnetic field structure. Under the case after the inflection point, primary electron mainly (more than 50%) moves to the channel center, which makes the average confinement length of primary electrons and their number in the discharge chamber increase largely.