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。     

真空室氢组分背压对霍尔推力器等离子体束聚焦特性的影响研究

基于光谱方法和羽流探针诊断方法,研究分析了氢组分压力对霍尔推力器束流聚焦特性和振荡特性的影响。研究结果表明,随着罐内氢组分压力的提高,通道内氢的特征谱线强度增强,相比pH=0Pa,pH=0.04Pa下最大HI=652.6nm相对谱线强度增加了8~9倍。氢组分向通道内的返流影响通道内的工质电离和离子加速过程,进而导致推力器束流特性变差,且伴随着低频振荡增大。当pH=0.04Pa时,羽流发散半角为41.5°,相比pH=0Pa条件下增加了24.5°。     

电探针保护气体的优选原则

为了研究强冲击波作用下不同气体对电探针保护能力的差异，通过化爆加载实验分别观察了氦气，氩气和甲烷气体在不同冲击波强度下电探针电路的导通现象，实验发现冲击波马赫数在7.5～12.1范围内，氦气和甲烷气体均能有效地保护电探针，而氩气环境下的电探针电路产生提前导通现象，并用一维流体动力学理论分别计算了在相同的初始条件和3～8km/s范围内的六种不同飞片速度下氦气，氩气和甲烷的冲击状态参数，通过对这些状态参数和相关物性的分析，提出了电探针保护气体的优选原则。     

一种小功率孔形阳极喷嘴等离子体炬的研究

为了提高小功率等离子体炬的综合性能,本文作者研制了一种新型具有孔形阳极喷嘴的小功率等离子体炬,功率1~5kW。采用流体模拟计算的方法,计算了喷嘴出口附近射流的流场结构特点。通过实验分别测试了采用氩气、氮气作为工质气体时等离子体炬的运行电流和电压,观察了等离子体射流形态和电极烧蚀情况,通过测量等离子体射流前方中心轴线位置处的光谱的方法计算射流温度,采用气体分析仪测量了等离子体射流附近的二氧化氮浓度。测得的试验数据显示相同工质流率和电流条件下,氮气等离子体射流运行电压远高于氩气,而光谱测得氩气射流的温度远高于氮气。氮气等离子体射流和外界空气接触产生了少量的副产物二氧化氮（低于10mL/m3）,而氩气等离子体射流附近无二氧化氮产生。     

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。     

中心突扩燃烧室压强振荡试验研究

对两种结构中心突扩燃烧室在不同入口速度条件下的压强振荡问题进行了气体冷流试验。试验结果表明,随入口速度的增大,压强整体脉动幅值也逐渐增大,脉动主频也有增大的趋势,但不是严格随入口速度的增大而增大。在速度比较低的情况下,单一主频的振荡起主要作用,振荡幅值随速度的增大而增大,当振幅增加到一定值时,该主频的振荡趋于饱和,而次频振荡的作用逐渐增大。对于同一人口速度,燃烧室不同位置,压强脉动的幅值不同,进气道流场的压强脉动幅值最大,而回流区流场的压强脉动幅值最小。     

发射光谱测量电弧加热发动机羽流温度

为了研究玻耳兹曼图法和谱线绝对强度法对测量结果的影响，讨论了电弧加热发动机羽流的光谱诊断方法，并建立了一套光谱诊断系统。以氩气为工质，利用此系统在真空室中进行了光谱诊断．分别用玻耳兹曼图法和谱线的绝对强度法得到了羽流的温度，这两种方法测得的结果有20％～30％的偏差。实验中氩气流量为42．1mg／s，功率约为200W。试验结果表明，在试验工况下，由于羽流处在热力学非平衡态，采用玻耳兹曼图法和谱线的绝对强度法得到的结果是不同的，应该根据具体的工况选择测量方法。     

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。     

CO2脉冲激光与气体相互作用实验

实验研究采用波长为10.6μm的CO2脉冲激光器,N2,He,CO2等三种纯净气体及上述气体的相互混合气作为推进工质时,通过实验舱内的冲击摆装置对抛物形光船获得的冲量耦合系数Cm进行了测量。实验发现气体工质的获得的冲量耦合系数Cm随气压增高而增大,通常气体工质的分子量越大,冲量耦合系数Cm越大;在低气压条件下,分子量较大的气体所占的比例越高,混合气获得的冲量耦合系数Cm越高;在高气压条件下,混合气体工质获得的冲量耦合系数与混合气体的种类及比例密切相关。     

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%。     

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。      

电磁波在等离子体高温气体中传输特性实验研究

针对高超声速飞行器头身部形成的等离子体鞘套对通信的影响,在中国空气动力研究与发展中心的粉末激波管上开展了电磁波在等离子体高温气体中传输特性的实验研究。实验中获得了等离子体气体中的电磁波透射率、电子密度和碰撞频率。实验结果表明：X波段和Ka波段电磁波在高激波马赫数Mas=16.1、1区气体压力P1=1200Pa的激波管实验状态下产生的厚度80mm等离子体高温气体中能量衰减大于30dB,难以传输;X和Ka波段电磁波在激波马赫数Mas=15.9、1区气体压力P1=80Pa的激波管实验状态下产生的厚度80mm等离子体高温气体中能量衰减大于30dB,难以传输;X波段和Ka波段电磁波在激波马赫数Mas=10.1、1区气体压力P1=80Pa的激波管实验状态下产生的高温等离子气体中平均传输损耗较小,可以进行有效传输;Ka波段电磁波在激波马赫数Mas=8.9、1区气体压力P1=1200Pa的激波管实验状态下产生的厚度80mm等离子体气体中平均传输损耗小于1dB,可以进行有效传输。实验得到的等离子体高温气体中的电磁波透射率、电子密度和碰撞频率与理论计算值基本一致。     

深冷组合发动机吸气模态最大状态控制规律研究

为了研究深冷组合循环发动机吸气模态最大状态控制规律,基于部件法建立了发动机热力学计算模型,依据整机共同工作条件确定了发动机非设计点计算的变量与平衡方程。根据工质间的相互影响关系,提出了以氦压气机转速和氦涡轮前温度为控制变量的双变量控制规律。在考虑发动机机械负荷、气动负荷、热负荷及压气机稳定裕度等限制的条件下,根据制定的最大状态控制规律,完成了高度特性和速度特性的计算。根据限制条件计算得到了发动机的工作包线,并指出了最大状态控制规律的区域划分。最后,将控制规律应用于工作包线内,获得了压气机转速、换算转速及工质流量等参数的分布规律。结果表明：工作包线上下边界分别取决于氦压气机喘振裕度限制和空气压气机换算转速下限,右边界限制取决于换热器1氦气出口温度上限。深冷组合循环发动机最大状态控制规律应划分为2个区域,分界线满足以下条件：空气压气机和氦压气机换算转速同时达到最大值。分界线以上空气压气机达到最大工作状态,分界线以下氦压气机达到最大工作状态。空气压气机进口参数是决定控制规律分界线的主要因素。     

等离子体增强含硼燃气二次燃烧实验分析

为研究等离子体助燃条件下含硼燃气在补燃室的二次燃烧特性,建立了排除来流空气掺混效应的扩散燃烧实验模型。利用高速摄影仪拍摄了含硼燃气在补燃室的火焰照片,得到了有无等离子体条件下的燃烧火焰形貌;测量了补燃室不同截面的静压和总压,分析了有无等离子体条件下含硼推进剂在固冲发动机中的燃烧效率。实验结果表明：在含硼燃气二次燃烧过程中加入等离子体炬,等离子体炬后方区域火焰更加明亮,硼燃烧更加充分;断开等离子体炬后,补燃室静压和总压出现压力突降台阶,说明加入等离子体后可以加快化学反应速率,提高含硼燃气在固冲发动机中的燃烧效率,从而提高了补燃室的压强;且放电功率越高,含硼燃气在固冲发动机中燃烧效率的增长率越高。     

喷射成形高温合金沉积坯致密度与气体含量

雾化沉积坯常含有一定量的疏松.本文对雾化沉积坯的致密度、疏松尺寸、气体含量及其分布等进行了分析研究,同时对雾化沉积坯中疏松形成原因进行了初步探索.研究表明,沉积坯致密度与气体含量、冷却条件等密切相关.一般来说,沉积坯边缘和最后凝固区域致密度相对较低.氮气雾化喷射成形高温合金沉积坯整体致密度可达99%以上,高于氩气雾化沉积高温合金.沉积坯的致密度可通过热等静压等后续工序进一步提高.     

脉冲爆震发动机供油自适应规律研究

利用在油路系统的不同位置处设置动态压力传感器来测量PDE工作过程中的油管中瞬时油压曲线的方法,研究PDE工作中的供油自适应规律.研究结果表明,在供油自适应控制中,开始和停止供油取决于PDE内的燃气反压和供油压力的共同作用,燃气反压大于供油压力,停止供油;燃气反压小于供油压力,开始供油.在保持PDE内当量比不变的情况下,一个循环内的供油时间长短只与供油压力有关,与油管长度和工作频率无关,但油管长度越长,损失越大,导致泵后压力越高.      

近失速压力扰动的试验

采取在静子叶片表面埋入微型压力传感器的方法,对叶尖、叶中和叶根3个截面上的动态压力进行测量,实验研究了压气机近失速的流场特性。实验结果表明:压气机失速前,存在两个特征频率的压力扰动;这两个特征扰动的扰动频率与压气机转速成正比,与转子转动频率的相对频率分别等于5和8;相对频率为5的特征扰动强度随着流量系数减少而增大,在失速点达到最大,而相对频率为8的特征扰动随着流量系数减少先增大,在失速点突然下降;选择相对频率为5的特征扰动作为压气机失稳预警信号,设定某一λ值作为报警的阈值,可以有效防止压气机失速。      

超声速非平衡电离磁流体流动控制试验和数值模拟

为了开展磁流体(MHD)流动控制原理研究,建立了磁流体技术试验系统,采用电容耦合射频-直流组合放电对Ma=3.5气流进行电离,在磁场作用下产生顺/逆气流方向的洛伦兹力控制流场,采用试验段静压变化来监测磁流体流动控制效果,通过一维模型计算磁流体流动控制过程中流场变化情况,分析磁流体流动控制效果;通过添加电磁源项的Navier-Stokes方程耦合电势泊松方程建立了二维磁流体动力模型,对磁流体流动控制进行数值模拟研究。主要结论如下:在磁场约束下,电容耦合射频-直流组合放电能够在Ma=3.5流场中产生大体积均匀电流,电导率约0.015S/m;在焦耳热和洛伦兹力作用下,磁流体加速时静压升高了130Pa,减速时静压升高了200Pa;磁流体流动控制过程中,仅有不足10%的能量在磁流体通道内发生了作用;数值模拟结果显示,在试验条件下,加速时静压升高了128Pa,减速时静压升高了208Pa,与试验结果基本吻合。     

基于真空羽流试验的洁净真空系统设计

研制的洁净真空系统可用于真空羽流试验及热真空试验研究.详细介绍了真空系统的组成、方案设计及工作模式;计算了不同工作模式下的真空抽气时间;分别对罗茨泵机组、分子泵及低温泵进行了容器极限抽速测试,测试结果表明,满足技术指标;最后对真空容器压力维持能力进行了测试,测得容器平均压升率为0.111Pa/h,对应的平均漏气率为7.24Pa·L/s,真空容器达到了较高的工艺水平.真空系统有多种工作模式供选择,可根据试验需求及故障模式选取,增加了“真空羽流效应实验系统”运行的实用性和经济性.