低功率氮氢混合物电弧加热发动机模拟研究

对低功率电弧加热发动机内的传热与流动过程进行了数值模拟研究,分别采用氮氢混合物模拟氨和肼作推进剂,计算获得了不同入口总压和弧电流的多种工况条件下发动机内温度和速度分布.结果表明,随着弧电流的增加,发动机出口处的温度、速度和比冲也随之增加;随着入口总压的增加,工作气体流量增加,发动机喷管出口处轴向速度增加.对NASA 1 k W级电弧加热发动机采用氮氢模拟肼作推进剂进行了数值模拟,模拟结果与文献报道的实验结果大体相符.     

微等离子体转化二氧化碳发射光谱诊断

火星大气层的主要成分为二氧化碳，如果能够利用低温等离子体方法高效分解二氧化碳，使其转化为氧气和一氧化碳加以利用，可以大幅降低航天员生命保障相关载荷长途运输的成本，进一步提高生命保障能力。低温等离子体放电过程中会产生大量活性组分，可以在数百度温度下实现二氧化碳的高效解离，是具有很大潜力的二氧化碳解离与转化方式。设计了一种尺度在亚毫米级、功率输入为数瓦的直流微槽等离子体反应器，可以在较低气体温度下实现二氧化碳分解。测量了反应器电流、功率等放电参数，采用发射光谱确定了体系中激发态组分，分析了激发态粒子谱线强度随输入电压、稀释气体比例等反应器工作参数变化，利用氮气分子振转谱带测量了等离子体放电区振动温度和气体温度。研究表明，添加氩、氦、氮气均可以增强二氧化碳的分解，添加氦气可以促进二氧化碳的电离过程。稀释气体激发态因具有高能量，可以通过潘宁解离通道增强二氧化碳分解。氦组分激发态的能量高于二氧化碳电离能，可以促进二氧化碳的电离反应。微等离子体内存在强烈的振动 平动非平衡现象：振动温度约为4400~4800K，而气体温度仅为450 ~600K，表明可以通过合理的放电和结构设计，定向将能量注入到振动态，从而进一步促进二氧化碳的振动解离。     

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。     

电弧加热发动机羽流电子温度的探针诊断

电弧加热发动机(Arcjet)由于其比冲远高于传统的使用化学推进剂的发动机,近年来引起了愈来愈多的关注。文章建立了一套在真空环境下利用静电探针诊断技术测量Arcjet羽流电子温度的实验装置, 并且对以氩气为工质的 Arcjet 的羽流进行了测量, 得到了羽流电子温度的轴向和径向分布情况, 以及电子温度随电弧电流和工质流量变化的趋势。实验结果表明Arcjet羽流轴线处的电子温度远大于重粒子温度。     

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。     

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。     

瞬态空气等离子体场的全息术研究

采用双波长双脉冲激光全息术,对有激波存在下的空气放电现象进行了研究。建立了双波长电弧折射率场方程,推导出冲击波区的压强同折射率之间的关系式,得出电弧场的压强分布.曲线及等离子体区的温度分布和电子、离子、原子、分子等粒子的数密度分布。     

被动型星载氢钟H型气体电离模型及参数优化

针对被动型星载氢钟气体电离装置低功耗、低电磁干扰的设计要求,设计了一种基于平面盘绕馈能天线的H型电离系统,并建立该电离方法的数学模型。首先,由Maxwell方程出发,推导出了电离泡中的电场和磁场的分布模型,得到气体电离机制;再由电磁场的分布方程推导出氢气击穿判据表达式,建立了气体电离条件的数学模型;最后,利用电离击穿条件判据方程优化了电离装置的设计参数。数值仿真与测试表明该模型是有效的,采用优化的设计参数可以使电离功耗和电磁干扰特性得到改善,且电离直流电源总功率可小于2W。     

集气腔总压对电弧喷射推力器工作过程的影响

为了研究集气腔总压对电弧喷射推力器工作过程的影响,在分析其工作机理的基础上采用化学非平衡流动和稳态电磁流体电磁场模型对不同集气腔总压下推力器工作过程进行了数值模拟.流体力学方程组和电磁场方程考虑了多种流动机理及电磁场与高温电离气体的相互作用,化学动力学模型考虑了各种碰撞反应.采用二阶精度NND格式求解流体力学方程组,采用有限速率化学反应模型计算组分生成率,采用交替方向隐式(ADI)超松弛迭代法求解电磁场离散方程.给出了不同集气腔总压下推力器内部参数分布及其宏观性能.研究表明,集气腔总压对推力器工作过程具有多方面的影响,在保证电弧稳定的情况下,适当提高集气腔总压可同时提高比冲和推进效率.     

双带耀斑磁重联过程的数值研究

本文用多步隐格式求解包含电阻的磁流体力学方程组, 对双带耀斑的主相作数值模拟, 清晰地展示了中性片区由撕裂模线性重联向准稳态重联的过渡以及后随耀斑环的产生和等离子体团的喷发过程.对于在能量方程中计及和忽略焦耳加热两种情况, 分别作了计算.结果表明, 计及焦耳加热时, 电流片中等离子体的温度显著增加(是初始温度的2—3倍), 但等离子体的运动速度却变化不大.两种情况的计算结果均表明:等离子体的运动速度低于声速, 因此不会形成快激波.计及焦耳加热的计算结果显示了两个新的特征:其一是中性片高密度等离子体的受热膨胀, 增大了电流片的有效厚度, 它使重联速率降低, 并逐渐趋于饱和, 其二是同时形成上升和沉降等离子体团, 后者与耀斑环碰撞, 并合并于后随耀斑环内.      

电离对高超声速热化学非平衡气动热环境的影响

高超声速飞行,激波后高温气体会发生电离,飞行器气动热环境复杂。5组元（N₂,O₂,NO,O,N）、7组元（N₂,O₂,NO,O,N,NO+,e-）和11组元（N₂,O₂,NO,O,N,N₂+,O₂+,NO+,O+,N+,e-）热化学反应采用Gupta化学反应模型,分别数值研究电离作用对高超声速热化学非平衡气动热环境影响。本文分析了不同催化壁面条件下,高超声速热化学非平衡电离流场气动热环境特性。电离作用对激波离体距离和气动力载荷的影响很小。5组元热化学非平衡不考虑电离作用,流场温度和壁面热流密度偏大。11组元热化学平衡强电离流场温度最低;7组元热化学非平衡弱电离流场NO+和e-生成量过低;11组元热化学反应能对热化学非平衡电离流场气动力和热流密度载荷可靠预测。壁面催化作用会增大壁面热流密度,但它对高超声速热化学非平衡电离流场温度和气动力载荷的影响很小。      

大功率无线电波对高电离层的加热

根据动量方程、能量方程和电子的连续性方程，在偶极扩散的假设下，建立了地面入射的大功率无线电波加热高电离层的理论模型．作为应用，对以上方程组数值求解，计算了高电离层(150-400km)电子温度和电子密度随时间的变化．计算结果表明，对于一定参数的发射机，一定的吸收模型，电离层电子温度和密度均有明显的变化．我们发现，应用本文选取的加热参数，在电波反射点附近，电子温度有10％-25％的增加，电子密度有1％-2％左右的减少．电子温度达到稳态的时间要快于电子密度达到稳态的时间．最后，用本文的结果解释了电离层加热实验中的一些观测现象。     

含气相细节化学反应的二硝酰胺铵燃烧模型

为了研究二硝酰胺铵ADN(Ammonium DiNitramide)燃烧中的细节物理化学过程,建立了一个包含细节气相化学反应的ADN燃烧数学计算模型.该模型基于总连续方程,组元连续方程及能量守恒方程而建立,并运用了有限速率化学动力学原理,最后引入多组元系统状态方程以封闭方程组.此外,该燃烧模型还成功应用了包含34种组元和165个细节气相化学反应的化学动力学方案.使用该模型对0.3MPa下ADN燃烧气相组元摩尔分数与火焰温度分布进行预测,计算结果与试验数据相当吻合,说明该燃烧能够准确描述ADN气相燃烧波结构.     

试验电子在湍流等离子体中的能量变化

在给定的湍流扩散系数的形式下,由准线性的扩散方程解出了在湍流等离子体中运动的试验电子束的分布函数。利用所得的分布函数和动力学方程,定义、并导出了两种不同形式的电子能量变率:一种是具有一定速度的电子的能量变率dε/dt;另一种是各种不同速度的电子的平均能量变率dε/dt。将所得结果与过去这方面的公式作了对比和讨论,结果表明本文所给出的能量变率表达式更有普遍性,过去采用的公式只是本文结果的特例。      

Motion of Microwave Plasma Electrons in the Action of Magnetic Field

对矩形微波谐振腔中的等离子体,在高频电磁场和非均匀稳恒外磁场作用下的电子回旋共振运动进行了讨论.对电子写出了牛顿运动方程,采用数值计算方法,用计算机计算并绘出了电子运动曲线和运动轨迹.对电子的能量也作了计算.从计算结果分析了电子运动的特点和电子的能量吸收.     

空心阴极羽流形态与热特性的变化机理

空心阴极的放电模式主要有点状和羽状两种，为研究两种模式的转变机理，采用PIC/PCD（单元粒子/等离子体化学动力学）混合算法对阴极内部等离子体流场进行计算，以辐射传递系数处理阴极内部的热辐射计算，并且在通过流场与热场的多次迭代计算后达到收敛。为验证数值模型的计算精度，考察阴极表面5个测点的计算结果与试验数据对比，计算误差在5%以下，并且以羽流光色计算图与试验照片作对比，定性验证模型对放电模式的模拟精度。在此基础上，对不同气体流量下、不同阴极顶孔径的阴极内部各类等离子体参数分布进行计算，通过分析阳极电压、羽流形态变化的内在原因，获得点-羽放电模式的转变机理，可为阴极优化提供理论支撑。     

磁场重联的二维粒子模拟研究

利用二维全粒子模拟方法研究了无碰撞等离子体中的磁场重联过程，得到了不同区域的离子和电子速度分布．计算结果表明，电子和离子在扩散区中的不同动力学特性产生的Hall电流使磁场的y分量By呈现四极形分布．离子和电子的速度分布偏离了初态时的Maxwell分布，呈现非局域的多重分布．同时由于磁场重联而产生的电场使电子在X点附近得到加速和加热，因而在电子的能谱分布中形成-高能尾。     

基于一维模型的高频电波加热电离层F层数值研究

基于电离层一维仿真加热模型,详细介绍了模型中电子的动量方程、连续性方程、能量方程和各类参量表达式,利用对角矩阵追赶法数值求解电离层F层加热过程,分析了不同时次电子数密度和电子温度的变化,讨论了不同频率和不同功率电波加热的情形.结果表明:当高频电波加热高电离层时,电子温度迅速增加,并很快趋近于饱和状态;电子密度的变化较为迟缓,但在加热过程中其变化幅度却越来越大;电子密度变化量在沿磁场方向上形成空洞和上下稠团两峰一谷构型;频率越大、功率越高的电波加热时,电子密度的变化也越大,但存在一适值频率的电波对电子温度的影响最小.      

航天器在轨道运行中太阳帆板的温度问题

本文应用能量平衡的基本原理, 获得了航天器在几种典型热工况中太阳帆板的能量平衡的基本方程以及宇宙空间的热辐射角系数基本方程.利用数值积分法, 得到了角系数的数值以及太阳帆板在不同的轨道所承受的最大温度波动, 在考虑这一温度效应后, 用有限元法分析计算了太阳能电池帆板的固有频率特性.计算结果表明, 航天器在空间轨道运行时, 通过阴区和阳区所产生的温度变化对太阳帆板的动力学特性影响是不容忽略的问题.