基于发射光谱法的螺旋波电推进器等离子体源放电实验研究

为探究不同气体条件下螺旋波电推进器等离子体源的放电特征，开展了氩气、氦气和氮气放电的光谱诊断实验研究。氩气和氦气为工质气体的放电条件下，部分波长谱线相对强度随功率的增加而增强，且斜率出现两次跳变，考虑是螺旋波放电过程中的模式转换，即容性向感性、感性向波模式的转换。三种工质气体，在较低的压强下，各谱线强度均随压强增大而迅速增强，但氩气放电下压强继续增大达到1.0Pa以后，谱线强度增强趋势变缓甚至达到“饱和”状态，而氦气和氮气放电下压强增大到0.5~0.65Pa，谱线强度出现降低趋势，氦气和氮气放电强度对压强更为敏感。     

纳秒脉冲滑动弧放电等离子体裂解煤油实验研究

为改善极端条件下航空煤油的点火和燃烧性能,提高煤油活性,本文在大气压氮气环境下利用纳秒脉冲电源产生的滑动弧等离子体进行煤油裂解实验研究,得到了包含活性更高的气态轻质烃和氢气等小分子物质的裂解气。通过改变电源输出脉冲电压的上升沿时间和下降沿时间,得到了裂解气产量、碳氢比以及裂解气中各组分选择性的变化规律,并总结了相关的部分反应路径。实验结果如下：裂解气产量随着上升沿时间的增加而减小,随着下降沿时间的增加而上升,裂解气碳氢比则呈现相反的变化规律；裂解气主要组分中,乙烷选择性最高,在各实验工况下均超过30%；随着上升沿时间和下降沿时间的增加,裂解气中丙烷和丙烯的选择性均降低,氢气的选择性上升；上升沿时间和下降沿时间的变化对裂解效果产生影响的主要原因是改变了反应的路径。实验结果表明,纳秒脉冲滑动弧放电等离子体可以将煤油中的部分大分子烃类转化为气态轻烃和氢气等高活性组分。同时,增加纳秒脉冲电压下降沿时间能够改善滑动弧等离子体的裂解效果,获得更多活性更高的小分子物质。     

基于MEMS工艺的爆炸箔芯片与高压开关研究现状

爆炸箔起爆器作为新型高安全性和高可靠性火工品,可广泛应用于武器系统的点火起爆、飞行器以及航天器的作动分离等诸多技术领域。从火工品的集成化、小型化以及低成本的发展趋势出发,介绍了南京理工大学微纳含能器件工信部重点实验室基于薄膜集成工艺、低温共烧陶瓷工艺以及印制电路板工艺开展的关于MEMS爆炸箔芯片和高压开关的研究现状。从设计、制备、发火性能、成本等方面分析和对比了各自的特点。最后介绍了爆炸箔芯片在超压起爆以及爆电耦合等新技术领域的研究进展。     

真实气体效应对等离子体鞘套及电磁参数的影响

针对高速飞行器高超声速飞行环境，建立了热化学非平衡流动数值模拟技术，并对计算方法的可靠性进行了验证，接着开展了真实气体效应对飞行器等离子体鞘套及其电磁参数的影响规律分析。结果表明:飞行器物面中心线等离子体密度峰值与飞行试验符合良好；对于碰撞频率，沿滞止流线，双温模型以及Park反应模型对等离子体碰撞频率的影响趋势是一致的；对于相对介电常数，除激波附近，流场其他区域的实部接近1，激波附近小于1，虚部沿滞止流线逐渐升高；双温模型以及Park反应模型对相对介电常数实部和虚部的影响趋势是一致的。      

基于滑动弧的燃烧室头部强化燃烧特性

为了研究基于滑动弧的燃烧室头部强化燃烧效果，探究了燃烧室头部的点火过程以及不同等离子体电源输入功率下的点/熄火边界，利用像增强系统获得了CH*基团的分布云图。实验结果表明：输入功率的增大使得燃烧室的点/熄火边界均得到拓展，与160 W工况相比，输入功率为320 W时，点火边界平均拓宽约17.6%，与未放电相比，输入功率为320 W时，熄火边界平均拓宽约45.3%，滑动弧放电对熄火边界拓宽效果明显；当滑动弧能够点燃来流新鲜混合气时，输入功率的增加使得CH*基团分布向上游移动，当输入功率为320 W时，燃烧火焰驻留在燃烧室头部，当滑动弧激励器仅具有助燃作用时，输入功率的增加使得局部CH*基团辐射强度增强，热释放速率增加。     

基于等离子体磁壳的行星探测器制动机理研究

等离子体磁壳制动技术是一种新型的行星探测器制动手段，具有制动阻力可调、可靠性高、结构质量小等优势，具有潜在的应用前景。开展了等离子体磁壳制动产生方式与工作机理的数值仿真研究。首先，以火星探测器的制动为背景，将等离子体磁壳简化为圆柱构型，建立了等离子体磁壳宏观模型，得到了制动阻力、有效捕获面积和探测器速度随轨道高度的变化关系。随后以等离子体磁壳中离子、电子和次中性粒子之间的相互作用为研究对象，建立了等离子体磁壳微观模型，获得了等离子体粒子数密度和温度随时间变化的规律。微观模型与宏观模型计算出的制动阻力一致，验证了两种模型的有效性。     

长寿命热障涂层的剥落机理及抗剥落结构设计

涂覆于高温合金热端部件表面的热障涂层,具有隔热防护作用,属新一代燃气轮机的关键核心技术。等离子喷涂制备的热障涂层隔热性能好,但长时间高温服役后存在开裂剥落问题,引发基体烧蚀、造成巨大经济损失。因此,发展长寿命热障涂层是该技术领域的重大难题。本文从等离子喷涂热障涂层的独特层状结构特征入手,阐述涂层在高温服役中结构和性能的演变规律,揭示涂层剥落失效机理,总结长寿命热障涂层设计方法。研究表明,等离子喷涂热障涂层呈现以连通2D孔隙为主的层状多孔结构,具有优异的隔热功能和协调应变能力。然而,涂层在高温服役中发生烧结,2D孔隙大量消失,涂层显著刚化,使热障涂层开裂驱动力急剧增加,引发微观裂纹扩展并贯通形成大尺度裂纹,导致涂层最终剥落失效。据此,分别从降低开裂驱动力和增加开裂阻力两方面着手,总结抗开裂新结构涂层设计方法,为研发长寿命热障涂层指明了发展方向。在未来研究中,如何保证涂层高隔热和长寿命并同时兼顾经济性,是发展新一代高性能热障涂层的重点方向。     

临近空间地面模拟装置等离子体源仿真研究

为了指导临近空间地面模拟装置中等离子体源结构设计及等离子体环境参数优化，围绕相关指标体系要求，采用数值模拟方法，分析临近空间等离子体环境地面模拟装置中的射流等离子体与下游目标模拟体相互作用。通过研究射流入口处等离子体状态与下游等离子体对钝体包覆效果的依赖关系，明确了影响包覆特性的关键等离子体参数、重要外控参量，及其对下游目标模拟体包覆特性的影响规律。仿真结果表明：相对于其他因素，射流入口的半径、气体流速、速度偏角、气体温度、钝体直径、环境背压等工况对有效实验区长度及厚度参数的影响较大。相关结果对于临近空间等离子体环境地面模拟装置中等离子体源优化设计及等离子体环境参数定向调控具有指导和借鉴意义。     

Development and coupling test of active spacecraft potential control – Next generation (ASPOC-NG)

The active spacecraft potential control (ASPOC) system developed in the 1990s emits positive ions to neutralise the spacecraft potential, such as used in several missions like Geotail, Equator-S, Cluster, Doublestar and MMS. With the experience gained, the next generation of the active spacecraft potential control (ASPOC-NG) instrument has been developed over the last three years. Thereby, three emission technologies were tested including Liquid Metal Ion Source (LMIS), Liquid Metal Electron Source (LMES) and Solid Metal Electron Source (SMES). The development of the emitter module by FOTEC and the corresponding electronics control unit by IWF is presented. Optimisations were carried out with the focus on the reduction of mass and power consumption to comply with the requirements of future scientific missions. Coupling tests of the modules and the electronics control unit were performed including range, accuracy and lifetime tests. Both ASPOC-NG instruments for positive and negative charge compensation and their performance values show excellent results.     

An atmosphere-breathing propulsion system using inductively coupled plasma source

CubeSats have attracted more research interest recently due to their lower cost and shorter production time. A promising technology for CubeSat application is atmosphere-breathing electric propulsion, which can capture the atmospheric particles as propulsion propellant to maintain long-term mission at very low Earth orbit. This paper designs an atmosphere-breathing electric propulsion system for a 3 U CubeSat, which consists of an intake device and an electric thruster based on the inductively coupled plasma. The capture performance of intake device is optimized considering both particles capture efficiency and compression ratio. The plasma source is also analyzed by experiment and simulation. Then, the thrust performance is also estimated when taking into account the intake performance. The results show that it is feasible to use atmosphere-breathing electric propulsion technology for CubeSats to compensate for aerodynamic drag at lower Earth orbit.