微牛级射频离子推力器结构优化研究

为了满足中国科学院空间引力波探测——“空间太极计划”对航天器推进系统提出的微牛量级推力高精度控制需求,基于感性耦合等离子体自持放电,设计了一套微牛级射频离子推力器（μRIT-1）。通过理论分析与实验验证,完成了μRIT-1关键结构组件优化工作,包括射频天线、放电室及离子光学系统。根据实验结果,μRIT-1采用7匝线直径为1.6mm的紫铜管作为射频天线,匝间距为2.0mm;放电室材料为氧化铝陶瓷,内径为1.0cm,长径比为1.5;离子光学系统采用双栅极结构,材料为金属钼,栅极透明度为18.05%。经过结构优化,μRIT-1可以实现5~100μN可调推力输出,比冲可达1275s。     

双丝扭秤微推力测量系统

针对未来空间引力波探测任务——"太极计划",根据卫星平台无拖曳控制对微推力器产生推力大小的要求,研发出一套基于扭秤的微推力测量系统,分别详述了其微推力测量、弱力产生装置和角位移差动测量的原理及磁阻尼装置。通过对弱力产生装置和扭秤系统的标定,得到微推力与扭秤扭转角位移的函数关系。同时分析了结构和环境对微推力测量系统的影响,得到其推力测量范围为1~200μN,分辨力为0.4μN,相对不确定度为1.1%,满足对微推力器推力分辨力和精度的测量要求。     

环形液池浮力-热毛细对流表面振荡现象的临界温差

对于上部开口的环形液池,加载径向温度梯度将使气液接触面上表面张力分布不均匀,耦合于地面的重力作用,将会驱动薄层流体形成浮力-热毛细对流.当径向温度差△T达到某一临界值△Tc时,一定厚度的液层表面就会出现具有一定规律的振荡现象.实验采用高精度激光位移传感系统,测量了液池表面某点位移随液层厚度h和径向温差△T的变化曲线,讨论了浮力-热毛细对流表面振荡的临界温差及两种驱动力的耦合问题,进行了表面畸变参数的无量纲分析,考虑了起始环境温度对临界温差的影响,推导了振荡相对较强时液层的厚度范围.     

微重力下容器圆形倒角处的毛细驱动流

空间探索计划的需求对空间流体管理技术提出了新的挑战.流体管理设备的内角是主要的流体传输"管道",因此研究微重力下容器内角处的毛细驱动流具有重要的意义.由于设计和制造等原因,完美的尖角并不常见,而是带有一定圆角过渡的内角.笔者设计不同的带有圆形过渡内角的容器,选用10cSt硅油为实验流体介质,通过一系列的落塔实验,研究了容器内角处不同的圆角半径对毛细驱动流的影响,并分析得到了有价值的实验规律.     

两层液体Bénard-Marangoni对流的界面张力效应

采用PIV技术对两层流体Benard—Marangoni对流进行了实验研究,得到了不同厚度比下的速度场,分析了界面张力在各种对流模式中的作用。和Rayleig—Benard对流的三种临界对流模式相比,由于界面张力对上下层浮力对流的不同作用效果,使得更复杂的临界对流模式在Benard—Marangoni对流体系中出现;在实验中首次观测到三层涡胞结构等现象。     

HPIV及其初步应用研究

全息粒子图像测速技术（HPIV）为一种对流体容积（三维空间）进行瞬时三维 (u,v,w) 速度场测量的技术.本项研究采用了双YAG脉冲激光器二次曝光、漫射照明、参考光对称布置全息术记录三维空间的粒子三维位移场,再现粒子空间场又采用了体视粒子图像测速技术分别截取各切面上的粒子三维位移场,其中由于采用了不同方向的参考光分别再现不同曝光时刻的粒子图像,可以用互相关技术,实行位移方向的自动判别.本项技术用 于立方体对角水流中的三维旋涡流动的瞬态三维速度场的初步测量.本文给出了瞬时复杂的三维旋涡部分空间结构和速度场分布图.     

基于镓铯对比的场发射电推力器分析与研制

为解决场发射电推力器由于液态金属推进剂导致的工程化问题,分析并提出以金属镓替代现有推进剂铯的技术方案。基于推进剂镓铯物性对比,分析其对推力与比冲、发射尖端升温、热蒸发、氧化污染等的影响,论证了金属镓的工程化优势及缺点。通过研制金属镓场发射电推力器原理样机,探索并实现了液态金属镓在大气环境中的加注与润湿,在点火试验中获得准线性场发射形貌,表明金属镓是场发射推力器的良好推进剂替代物。     

液滴在圆内角处的毛细界面行为

容器内角广泛应用于空间流体管理,研究微重力环境下容器内角处液体界面行为对空间流体管理具有重要意义.由于设计和制造等原因,理想的尖内角结构无法实现,而是带有一定圆角过渡的内角.本文对液滴在圆角过渡内角处的毛细界面行为进行了理论分析和数值模拟,并与理想尖内角处的液滴毛细界面行为进行对比,得到定性和定量的新规律.与理想尖内角不同的是,液滴的毛细界面行为不仅与接触角和内角的角度有关,还与圆内角的圆角半径和液滴体积有关.      

两层液体Bénard-Marangoni对流的界面张力效应

采用PIV技术对两层流体Bénard-Marangoni对流进行了实验研究,得到了不同厚度比下的速度场,分析了界面张力在各种对流模式中的作用.和Rayleig-Bénard对流的三种临界对流模式相比,由于界面张力对上下层浮力对流的不同作用效果,使得更复杂的临界对流模式在Bénard-Marangoni对流体系中出现;在实验中首次观测到三层涡胞结构等现象.     

短时微重力环境下的浮力-热毛细对流

在NMLC落塔中,以大Pr数硅油作为实验介质,对短时微重力环境下矩形液池中的液面变形和浮力热毛细对流进行了初步的实验研究.观测了气液自由界面的变形过程,确定了重定位时间,并验证了毛细爬升的两个特征时间;通过实验发现楔形结构和挡板对于液面控制有一定的作用,但是要想获得更好的控制效果,还需要采取其它措施使内角处不满足Concus-Finn条件;运用PIV方法得到了液体内部对流速度场,观察到了在重力水平突变和液面大变形的条件下浮力热毛细对流的转变过程.