MPT可靠启动与稳定工作影响因素

1引言MPT属于电热型电推进,基本原理是利用微波发生器将来自电源系统的电能转化为电磁能,然后电磁波在谐振腔中产生谐振并与工质(可选用N2,H2,He,Ar,NH3,N2O或水蒸气等)耦合,使工质离解、电离,形成等离子体,最后高温高压等离子体从喷管高速喷出而产生推力。MPT的最大优点是没有     

甲烷-空气混合气体放电等离子体增强点火机理分析

为研究放电过程产生的等离子体对缩短甲烷点火延迟时间的效果,针对脉冲式放电,本文耦合了密度方程、能量传递方程以及Boltzmann方程,对于甲烷-空气混合气体放电粒子浓度变化规律进行了研究分析。将计算得到的放电过程中激发态分子及活性自由基作为初始组份代入CHEMKIN中进行计算,计算了放电条件下等离子体对于甲烷点火延迟时间的影响。相比于附着过程,甲烷粒子弹性碰撞、激励、电离过程的碰撞截面要大2~5个数量级。随着粒子能量的增加,各个过程碰撞截面的变化并不单调,均存在碰撞截面最大的点。混合气体的激发过程导致了80%以上的能量损失。当约化场强逐渐增大时,甲烷的电离效应逐渐增强。混合气体的附着与弹性碰撞效应造成的能量损失比较小,相比激发与电离效应可以忽略。放电过程能够产生大量不同种类的活性粒子与自由基,不同活性粒子随时间变化的规律不相同。其中,随着放电,振动激发态氮分子浓度保持为1015/cm3量级。电子激发态氮分子粒子数密度随着放电的进行,在10-8s~10-7s会产生一个峰值。模型计算的单脉冲放电产生的活性粒子,在大多数点火温度下,可将点火延迟时间缩短10%以上。脉冲式放电对于甲烷-空气混合气体点火有显著的增强效果。     

红外和极紫外双色激光场中氦原子的非序列双电离动量谱研究

近年来,多电子体系在强激光场中的电子关联效应成为原子分子物理研究的热点,引起了人们的广泛关注。基于频域理论,研究了氦原子在红外和极紫外双色激光场中由碰撞-激发-电离机制引起的非序列双电离过程。非序列双电离动量谱呈现出复杂的干涉图样,其中干涉图样的低能部分主要来自一个通道的贡献,高能部分来自多个通道贡献的干涉。对碰撞-激发过程的研究表明,该过程需要的能量主要来自于碰撞电子之间传递的能量和电子吸收XUV光子。该研究可为多电子原子电离过程的实验研究提供科学的理论依据。     

水工质脉冲等离子体推进器的能量平衡和效率

通过一种同轴水工质脉冲等离子体推进器的LCR放电回路的理论分析和实验来探讨其在运行过程中的能量平衡和能量转换效率。理论分析认为储能电容中的储存能量通过放电转化为加速动能及被传输线和电容的等效电阻消耗掉,并且根据等效电阻的分配情况定义了水工质脉冲等离子体推进器的加速动能和电磁力转换效率。实验研究表明:该水工质脉冲等离子体推进器的存储能量(E0=4.86J)转换成加速动能的能量转换效率是28%,其中11%用于电磁加速及17%用于电热加速,其余72%的存储能量消耗在储能电容和传输线内阻所造成的能量损失上。     

微波等离子推力器谐振腔的低信号调试

微波等离子推力器（MPT）谐振腔只有在谐振状态下，微波能量才能被高效地用于加热工质产生推力。利用标量网络分析仪，采用微波无源器件回波损耗的测试方法对MPT谐振腔进行了精确地调谐，分析微波能量的吸收效率及谐振频率带宽，研究腔体的尺寸，微波耦合探针位置以及腔内的隔板材料等在同一谐振频率条件下的匹配性。调试结果可为腔体设计与提高系统效率提供参考。     

微波等离子热源

英国焊接研究所(TWI)及利物浦大学最近开发了可用于焊接、切割和表面处理的新热源。它是在微波能量上,加入可电离的气体(如氩气)而形成的微波等离子热源。它采用调谐腔使微波能量集中,并将电离     

水工质激光推进数值建模分析

在对水工质激光推进内流场特征分析的基础上,对描述内流场演化过程的数学模型进行探讨,研究了水滴蒸发模型、水滴变形和破碎模型在水工质激光推进内流场演化过程中的作用。研究结果表明,流场演化过程中,蒸发引起的水滴体积变化率不会超过0.0216%,因而蒸发模型对于计算结果影响不大,在计算过程中可以忽略;水滴在激波流场的作用下破碎成较小的水滴,形成二次雾化,破碎后的水滴体积最小只有原体积的1.5%,对于激光能量的沉积有较大影响,所以在计算中必须考虑水滴变形和破碎模型。     

脉冲爆震发动机点火过程离子催化效应数值模拟

利用气体电离理论推导出氢气-空气混合气体电离后组成成分,理论分析活性基团对燃烧速率及剧烈程度的催化效应,以及不同点火能量、活性基团浓度对缓燃转爆震(DDT)过程的影响.结合氢气-空气燃烧23步化学反应动力学机制,采用FLUENT软件对不同工况下的DDT过程进行模拟,与理论分析结果对比.结果表明:点火温度为2000~2500K时,活性基团的加入,可提高燃烧速率,DDT时间可缩短9.91%~21.08%,DDT距离可缩短3.32%~8.08%,DDT时间和DDT距离的改变幅度随点火温度的升高而增大.点火能量较高时应该考虑气体电离效应.      

圆柱谐振腔微波等离子推力器的理论计算

采用耦合求解Maxwell方程、Navier Stokes方程和Saha方程的方法,完成了圆柱谐振腔微波等离子推力器(MPT)的理论计算研究。研究结果表明,MPT稳态高效工作的前提是耦合进入谐振腔内的微波功率与工质气体流量(或腔内压强)应合理匹配,并通过1kWMPT的地面与真空实验,初步验证了理论研究结果。理论与实验研究表明,圆柱形MPT原理可行,研制出的样机实验系统启动可靠、工作稳定。     

微波等离子推力器真空实验研究

微波等离子推力器(MPT)具有寿命长、效率高和比冲高的特点，具有广泛的应用前景。通过对MPT真空实验系统，以及中(-lkW)、低(-l00W)功率MPT结构的介绍，重点论述了MPT在真空环境下的启动和稳定工作特性，并对实验结果进行了分析和讨论，给出了MPT初步性能参数。实验结果表明，在30W-lkW功率范围内，MPT真空环境下启动可靠，工作稳定；氦气(He)的比冲远高于氩气(Ar)的比冲。     

微波等离子推力器同轴谐振腔内的电磁场特性

为了研究同轴谐振腔内导体的头部形状、位置对腔内电磁场分布的影响规律,用时域有限差分法(FDID)对微波等离子推力器(MPT)TEM谐振模式的同轴谐振腔中的电磁场进行了数值模拟,并结合实验现象对数值模拟的结果进行了分析讨论。结果表明,内导体头部形状的改变,改变了同轴腔内电磁场的分布规律和电场强度最大集中区域的位置。内导体位置的改变,只改变电磁场强度的大小,且内导体愈接近同轴腔的底面(即：放电间隙δ愈小),腔内电场强度愈强。同时,锥形头部的内导体,更有利于MPT的启动和稳定工作,为采用同轴谐振腔的MPT工程样机的研制提供了依据。     

超声速电弧喷射器内等离子体流场的数值模拟

对一个以氮气为工作气体、在局域热力学平衡下的超声速电弧喷射器内等离子体流场进行了数值模拟。流动模型是耦合了电磁场的扩展Ｎ－Ｓ方程组。电场由电势方程近似反映,只考虑周向自感应磁场。数值方法中, 空间离散格式为中心差分, 用标量耗散模型抑制数值波动。用以经典四阶龙格－库塔法为基本迭代格式的时间推进方法求解控制方程组。电势的迭代计算采用多重网格加速收敛, 用隐式残值光滑技术改善收敛速度以及时间推进过程的稳定性。计算取得初步的成功： 电弧已经出现并可观察到电弧喷射器内的离解和电离状况以及化学不平衡、粘性等效应对流动过程的影响。     

微波与等离子体之间的相互作用

根据微波和等离子的基本理论以及它们之间相互作用的原理,建立了由微波能、谐振腔内电场、工质流场、等离子体平衡场等组成的轴对称偏微分方程组。通过对模型的计算,获得了放电管内等离子体区的形状、电场、电子浓度和温度场,以及气体温度场。     

基于离散元的粉末燃料输送弯管两相流特性研究

弯管是粉末燃料冲压发动机燃料输送系统的重要组成部分,为了研究弯管内气固两相流的流场结构、颗粒碰撞以及压力损失的变化规律,基于连续相-离散元（CFD-DEM）耦合模型,考虑颗粒的碰撞受力和弹塑性形变,对铝粉在弯管内的流动状况进行数值仿真。研究结果表明：CFD-DEM算法相对于传统的双流体模型和轨道法,能更为准确地描述颗粒流的碰撞信息和两相流的流动状况。弯管内的总压损失随流化气流量的增加,呈先减少再增加的趋势,在本文研究的条件下,优选的流化气流量为6g/s~7g/s(流化气速度为3.0m/s~3.5m/s);在低流速下,颗粒间的碰撞次数远大于颗粒-壁面间的碰撞,随着流速的增高,颗粒与外侧壁面间的碰撞次数迅速增高,并导致颗粒-壁面间的碰撞次数超过颗粒间的碰撞。弯管的弯径越大,弯管内的总压损失越大,但颗粒-颗粒、颗粒-壁面的碰撞次数均减少。     

微波等离子推力器喷管流动数值模拟

为了准确把握微波等离子推力器喷管流动的机理与特点,采用冻结流和非平衡流两种模型对其进行了对比数值模拟分析。非平衡流模型考虑了流动过程中的分解反应、电离反应和复合反应,化学动力学模型为4组分、4反应的有限速率化学反应模型,采用二阶精度NND格式数值求解耦合化学反应源项的N S方程组。数值模拟的结果揭示了喷管内的流场结构,反映了喷管内的离解电离状况,得到了推力器的推力和比冲。分析表明,数值方法有效,计算结果合理,具有工程应用价值,能为相关研究提供参考。     

霍尔推力器通道宽度对电离特性的影响

为了研究霍尔推力器通道宽度对电离特性的影响,采用以数值模拟为主、实验验证为辅两种手段相结合的方式。所建立的数学模型是基于蒙特卡洛方法的二维完全动力学粒子模型,实验选择了与等离子体无接触的光谱诊断方法。计算和实验两方面的结果都发现随着宽度的增加,电子电离工质气体的速率增加,电离更加有效,而且电离区域变得集中的规律。通过进一步的计算发现,电离特性的明显差异和电子与壁面碰撞频率随宽度增加而减小,电子温度随之升高有着密切关系。电子温度升高一方面会对电离特性起到促进作用,另一方面也会使电离消耗的能量增加。由于稳态时的电子温度是由电子能量平衡机制决定的,因此对电子能量平衡方程进行深入分析之后发现,在研究通道宽度影响电离特性这一物理问题上,电子在壁面上的能量损失是决定电子温度的主导因素,而电离损失仅属于次要因素,宽度增加有利于改善推力器的电离特性。     

Diagnostic and modelling investigation on the ion acceleration and plasma throttling effects in a dual-emitter hollow cathode micro-thruster

Hollow cathode discharges are widely used as neutralizers for the electric propulsion systems and recently developed into micro-thrusters for the small satellites. In this work, a dual-emitter hollow cathode thruster is developed, which can be operated in two different modes—the neutralizer mode and the micro-thruster mode. For characterizing this kind of new device, the Langmuir probe, Faraday probe, and retarding potential analyzer are used to determine the electron temperature, electron density, ion flux, and ion energy distribution function. The operating parameters, including the thrust, and specific impulse, are also measured. A two-dimensional self-consistent extended fluid model is employed to calculate the spatial distribution of plasma parameters and the fluid field of electrons in the region around the emitters. By comparing the diagnostic and modelling results, it is found that the change in the electric field and ionization zone is the essential reason for the different performances of the device in the neutralizer and micro-thruster modes. Variation in the electric field leads to an ion acceleration effect in the micro-thruster mode; moving of the ionization zone raises the plasma pressure in the orifice region of the hollow cathode, and thus leads to enhanced plasma throttling and gas expanding effects. By analyzing the above mechanisms, the possible methods for improving this kind of hollow cathode micro-thruster are discussed.     

电场破乳分散相液滴行为研究

旨在为研究高效的复杂乳化液的处理技术提供理论基础,从微观角度研究电破乳机理,设计构建了适合本研究特点的电破乳分散相液滴行为观察系统,针对高压静电场中液滴的变形、破裂、碰撞、聚合及运动等行为进行了细致的实验研究,获取了大量液滴行为的珍贵图像资料,通过数据及理论分析探讨了影响液滴行为的主要因素,并从工业应用角度分析了其对电脱水工艺的影响,同时从乳化液系统的力学特性人手,通过受力分析初步建立了液滴形态的数学模型,并尝试进行了简单的数值求解。     

磁激等离子体超声速气流的瞬态加速系统及其实验研究

研制了基于激波风洞的热电离系统,设计了马赫数Ma=1.5的喷管和分段法拉第型实验段,并选用了合理的磁场及电场方案。采用氦气驱动氩气模式,通过在激波管低压段注入电离种子K₂CO₃粉末实现气流的热电离;压缩后的高温氩气启动喷管,以瞬态超声速导电流体形式通过实验段。实验结果表明:当激波管高压段压力为1.1 MPa、低压段压力为500 Pa时,喷管出口的超声速导电气流温度约为4 185.91 K,压力约为0.037 MPa;当电容电压为400 V、磁感应强度为1.0 T时,由实验段中间位置电极的放电特性可以估算出气流电导率约为78.1 S/m,单对电极输入功率约为9.46 kW;用感应电压法对加速效果进行初步评估,出口气流速度增加了29.3%,电效率为26.1%。     

场致发射电推力器发射尖端理论模型及机理

为了研究铟场致发射电推力器的发射过程及机理,对椭球顶喷流柱模型离子发射区流柱的形状及尺寸进行了数学描述并通过数值计算加以验证,结果表明,椭球顶喷流柱模型具有合理性,从Taylor理论出发,结合电磁场理论、流体力学理论以及场致发射理论,讨论了离子形成的机理,发现场蒸发是离子产生的重要原因。