霍尔推力器预电离对低频振荡及壁面腐蚀影响的研究

ATON型霍尔推力器提出后,基于缓冲区的预电离现象的系列研究随之展开。但是迄今为止,预电离率的选择仍然未有定论。文章基于SPT-100型霍尔推力器的真实工作尺寸,建立了二维轴对称全粒子网格质点法（PIC）模型对推力器放电室内的放电过程进行模拟,并通过施加不同的缓冲区预电离率着重研究了预电离率与放电通道低频振荡和推力器壁面腐蚀之间的关系。研究结果显示,缓冲区预电离率的提高可以有效抑制放电通道内的低频振荡,使推力器工作性能提高。但与此同时,由于撞击通道壁面的离子能量增加导致通道壁面腐蚀加剧。     

磁拓扑结构对环型离子推力器放电性能的影响

为得到环型离子推力器最佳磁拓扑结构以有效提高推力器放电效率、降低放电损耗,对不同类型磁拓扑结构下的放电通道气体放电过程进行研究。采用PIC MCC数值计算方法对等离子体产生及运输过程进行数值模拟,分析磁场分布对等离子体密度分布、电子损耗率及放电稳定性的影响,结合统计结果,得到推力器放电性能曲线,最后进行试验验证。研究结果表明,相较多极场结构,环尖场磁构型能更好地约束电子运动,大幅降低其在阳极壁面损耗率,增加电子与中性原子碰撞概率,显著提高放电效率、降低放电损耗。     

多级会切场推力器振荡特性模拟研究

目前多级会切场推力器数值模拟研究采用的主要手段是全粒子模拟方法,但是这种全粒子模拟对计算机的要求较高,因此文章通过建立HEMPT的一维流体模型,再现HEMPT的振荡现象,对放电电流和等离子体参数之间的关联性及等离子体参数分布规律进行研究。沿着两条典型的电子传导路径,利用MATLAB中Simulink模块建立一维流体模型。结果分析表明,推力器内部等离子体参数的振荡周期与放电电流振荡周期一致。推力器的主电离区在两个磁尖端之间,电势降主要集中在出口附近。     

霍尔推力器分割高偏压电极等离子体放电特性

霍尔推力器通道等离子体与壁面有很强的相互作用,为了降低壁面腐蚀,提高在轨寿命, 针对推力器全通道放电过程建立二维物理模型,采用粒子模拟方法（Particle In Cell）,数值研究了电离区壁面分割高于阳极偏压的低发射石墨电极对推力器放电特性的影响,讨论了放电通道电势、离子数密度、电子温度、电离速率及比冲的变化规律。结果表明：在电离区不同位置分割高偏压电极对等离子体放电特性影响明显,电极位置在电离区前端时,电极偏压高于阳极电压60V时通道内放电等离子体参数几乎不变。而电极位置在电离区末端,电极偏压高于阳极电压18V时就会导致加速区轴向扩张,离子聚焦效果强,电子温度显著升高,电子与壁面相互作用减弱,羽流发散角减小。由此推力器比冲提升约12%,寿命延长,性能提高。     

脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究

为了对脉冲等离子体电磁加速机理有清晰的认识,为后续推力器性能的优化和产品的小型化提供理论基础,需要对脉冲等离子体推力器的特性进行数值研究。利用包含电容、电感、平行板电极、等离子体的一维集成电路模型,开展了脉冲等离子体推力器的数值模拟研究。通过改变初始放电电压和电极间距的大小,系统地研究了脉冲等离子体推力器的初始放电电压、电极间距对推力器电磁加速的影响。结果表明,在其他参数不变的情况下,推力器的推力、比冲、元冲量,以及等离子体的密度、温度随推力器初始放电电压的增加而增加;同样,增加电极间距也能够提高推力器的推力、比冲;然而,电极间的阻抗会随电极间距的增加而增加,导致推力器的点火难度也随之增加,因此脉冲等离子体的电极间距存在一个最优值。     

电弧推力器约束通道内流动特性数值模拟

约束通道对电弧推力器的性能有着重要的影响,文章采用基于局域热力学模型（LTE）的数值模拟方法对中等功率电弧推力器内等离子体流动进行了数值模拟,考察了电流、入口压力、约束通道尺寸及不同推进剂对约束通道内等离子体流动的影响,分析了约束通道内非均匀流动现象,最后对推力器的性能、效率等进行了讨论。计算结果表明,随着电流的增加电弧高温区变粗变长,随着入口压强的增加电弧高温区半径减小而长度增加,随着约束通道半径的减小电弧高温区变得细长,随着约束通道长度的增加高温区的长度增长而半径无明显变化,氢气的高温区明显小于氮气和氩气;约束通道内只有小部分气体通过高温区被电离,大部分气体沿着壁面附近的低温区流动;约束通道内焦耳热约占总焦耳热的60%~80%,主要受约束通道长度影响。     

5 kW环型离子推力器试验研究

针对未来深空探测任务对高功率电推力器的需求,兰州空间技术物理研究所开展了5 k W环型离子推力器的研制。环型离子推力器放电室设计与传统离子推力器有很大不同,面临着放电不稳定、不均匀、放电损耗过大等潜在的技术风险。在原理样机完成设计、制造工作后,开展了试验研究工作,通过性能摸底试验对推力器电气参数变化规律进行研究并找到最佳的工作点,通过等离子体诊断试验对放电室内等离子体密度和电子温度分布情况进行研究。试验结果表明:环型放电室在很宽的放电电流范围内都有很高的稳定性,在单阴极偏置的情况下推力器束流仍然具有较好的均匀性,初步验证了环型离子推力器概念的可行性,为下一步优化设计打下了技术基础。     

霍尔推力器仿真与优化

摘要： 针对霍尔推力器通道内的放电过程,建立一种基于COMSOL软件的仿真模型.该模型以等离子体内部电子和离子的漂移扩散为核心,结合电磁场、气体流动以及等离子体内部的碰撞反应,通过合理选取系统方程、边界条件以及求解器,有效估算霍尔推力器的性能参数以及各物理量在通道内的分布.将仿真结果与理论相比较,验证该模型用于霍尔推力器数值仿真的有效性并以此对推力器进行磁场优化设计.     

一种新型Z-Pinch PPT的设计和试验

提出一种基于Z-Pinch原理但无需火花塞而自点火新型微脉冲等离子体推力器（Z-Pinch SI PPT）。为了降低推力器的点火电压以及去掉尺寸减小和轻量化的限制,采用点火和放电一体化的改性聚四氟乙烯为推进剂,两个电极分别为钉状阳极和中心有孔的阴极。相比于传统Z Pinch PPT和平行板脉冲等离子体推力器,该推力器的优点是没有活动部件、火花塞以及为火花塞供电的电源,结构更加简单紧凑。目前研制的该型推力器本体尺寸包络仅有21mm左右,质量为15g。在保持较大推功比优势基础上,点火放电的电压峰值仅为同样自点火的同轴PPT的24%,气体PPT的2.4%。真空舱内多次点火实现累计脉冲1万多次的试验结果表明,该推力器点火电压为480V,推功比为17.83μN/W,平均推力为85.6μN。     

电子回旋共振推力器放电室内磁场与微波电磁场分析

电子回旋共振推力器具有寿命长、比冲高、结构简单等特点,适宜用作深空探测器主推进装置。放电室是电子回旋共振推力器的关键部件,其作用是产生电子回旋共振等离子体。放电室内的磁场和微波电磁场分布对于推力器的可靠启动、稳定工作有着重要的影响。为此针对10cm推力器,采用大型有限元分析软件ANSYS建立了三种磁路模型,计算了放电室内的磁场分布,得出三种方案中电子回旋共振面的位置,分析放电室材料不同时磁场分布的变化;最后采用ANSYS有限元分析软件计算了放电室内的电磁场分布。结果表明,在电子回旋共振面上微波能量满足放电所需能量。计算结果可以为电子回旋共振推力器放电室的设计提供帮助。     

太阳风质子束流的演化

太阳神飞船观测表明，太阳风高速流中质子束分量相对于核分量的密度随日心距离增加而增加．提出解释这一观测现象的机理并给出二维数值模拟结果．由于阿尔芬波速随日心距离增加而减少，第二支左旋波将与更多的质子共振，把部分原来属于核分布的质子拉到束分布中来．用数值模拟方程方法求解回旋波共振导致的准线性扩散方程，数值结果与观测结果相符合．     

拍合式电磁阀动态响应仿真分析与试验验证

根据电磁阀空载试验结果和电磁阀数学模型,对影响电磁阀响应时间的因素进行了分析.利用有限元方法和磁路分析法分别建立了拍合式电磁阀的仿真模型,用两种模型计算出不同弹簧刚度、弹簧预变形、衔铁质量、放电回路电阻、线圈匝数、非工作气隙下电磁阀的响应特性,以及这些参数对响应时间的影响程度.两种仿真计算结果和试验进行了对比,结果基本一致,根据结果分析了两种仿真方法的优缺点.总结出电磁阀在设计、生产时应重视的技术环节,对以后电磁阀设计工作具有指导意义.     

等离子体对燃气在补燃室中燃烧特性的影响

为研究等离子体对多组分燃气在发动机补燃室中的助燃特性,建立了多组分燃气供给系统以及扩散燃烧实验模型。测量了等离子体炬的发射光谱,得到了等离子体炬的主要激发态粒子;拍摄了多组分燃气在补燃室的扩散火焰照片,得到了等离子体对多组分燃气的扩散火焰形貌的影响;测量了补燃室4个不同截面上的静压和总压,分析了等离子体对多组分燃气在发动机中燃烧效率的影响。实验结果表明:等离子体炬主要产生氮气和氧气的激发态粒子;加入等离子体后,喷出冲压尾喷管的火焰长度得到进一步缩短,说明等离子体可以在更短的燃烧室长度内使得多组分燃气得到更加充分的燃烧;加入等离子体时,补燃室不同截面的静压和总压都会出现突升台阶,说明等离子体可以加快燃气的化学反应速率,提高多组分燃气在发动机中的燃烧效率,且等离子体功率越高,燃气燃烧效率的增长率越高。     

Chapman函数在实际模式大气中的数值积分计算

本文对Chapman阳光掠射函数[Ch(z_p,χ)]进行了数值积分,求得了其在实际模式大气中随观测高度z_p及天顶角χ的变化.计算并讨论了低热层高温度梯度、分子与湍流扩散、重力场及太阳活动对 Ch(z_p,χ)的影响.结果表明,在150 km以下,Ch(z_p,χ)与前人用等标高模式及等标高梯度模式的计算结果差别较大.其中高温度梯度的影响起主导作用.特别是太阳活动对Chapman函数影响较显著,高年与低年之间可变化10—40％(在大天顶角时),这有可能推动热层大气中辐射-光化学-动力学耦合关系的变化.     

Multi-point observations of earthward fast flow in the plasma sheet by virtual satellites located in the MHD simulation domain

Time profiles of some physical values in earthward fast flows in the plasma sheet are observed at three dimensionally different positions by employing virtual satellites located in the three-dimensional magnetohydrodynamic simulation domain, and these simulations are done on the basis of the spontaneous fast reconnection model. In the spontaneous fast reconnection evolution, the width of the flow channel is narrow in the dawn-dusk direction, and it does not spread until the plasma collides with the magnetic loop. The enhancements in B_z and V_x are larger at the center of the fast flow channel than those at its dawn and dusk edges, reflecting the differences in the reconnection rate in the diffusion region. The enhancement in V_x is shorter near the plasma sheet boundary layer than that near the neutral sheet, reflecting the changes in the thickness of the flow channel.     

Parameterized Regional Ionospheric Model and a comparison of its results with experimental data and IRI representations

We describe a Parameterized Regional Ionospheric Model (PARIM) to calculate the spatial and temporal variations of the ionospheric electron density/plasma frequency over the Brazilian sector. The ionospheric plasma frequency values as calculated from an enhanced Sheffield University Plasmasphere–Ionosphere Model (SUPIM) were used to construct the model. PARIM is a time-independent 3D regional model (altitude, longitude/local time, latitude) used to reproduce SUPIM plasma frequencies for geomagnetic quiet condition, for any day of the year and for low to moderately high solar activity. The procedure to obtain the modeled representation uses finite Fourier series so that all plasma frequency dependencies can be represented by Fourier coefficients. PARIM presents very good results, except for the F region peak height (hmF2) near the geomagnetic equator during times of occurrence of the F₃ layer. The plasma frequency calculated by IRI from E region to bottomside of the F region present latitudinal discontinuities during morning and evening times for both solar minimum and solar maximum conditions. Both the results of PARIM and the IRI for the E region peak density show excellent agreement with the observational values obtained during the conjugate point equatorial experiment (COPEX) campaign. The IRI representations significantly underestimate the foF2 and hmF2 compared to the observational results over the COPEX sites, mainly during the evening–nighttime period.     

Experimental determination of the main F-layer parameters on a global scale using data from a remote optical probe onboard the satellite Interkosmos-Bulgaria-1300

The optical complex of the satellite Interkosmos-Bulgaria-1300 includes the UV-spectrometer “Photon-1”, and the scanning spectrometer EMO-5 operating in the visible spectrum. Using the intensities of the OI 1356 and 6300 nm emission as measured by these two spectrometers, a theoretical evaluation of the two main F-layer parameters has been made: hmF, the height of the F2-maximum and NmF, the electron density at this height, together with the constant Ao characterizing the Ne(h) distribution in the IRI. The MSIS and CIRA-72 models are used for determining the distribution of the neutral component. If we had used CIRA-72, lower NmF values and higher hmF values had been obtained than with MSIS. The results obtained show that the method is very sensitive to the assumed neutral model, particularly when determining hmF. This work demonstrates the possibility of probing the F-region near its peak on a global scale using comperatively cheap and easily available optical methods.