直流电弧等离子体炬数值模拟与诊断

直流电弧等离子体炬内部物理过程复杂且具动态性,较难对其进行准确描述与深入研究,且其工作温度较高,其状态参数难以使用常规方式测量。针对直流电弧等离子体炬,建立流动、传热和电磁相互耦合的数值模型,基于Fluent软件对直流电弧等离子体炬进行三维数值模拟和特性分析,设计并搭建了一套热焓探针实验系统,完成对直流电弧等离子体炬射流参数的测量分析。结果表明:建立的数值模型模拟结果与实验测量结果吻合较好,误差在10%以内;炬内温度与速度最大值与工作气流量呈正相关,均出现在靠近阴极区域,且沿轴线逐渐降低;等离子体炬内高温区与高电流密度区重合。     

低能耗非热等离子体NO还原特性

分别建立了新型低能耗N2-NO系统的单电极尖端放电和介质阻挡放电非热等离子体NO还原实验系统,通过实验研究了电极极问电压V和尖端距离lg以及Al2O3,CaO,MgO,玻璃等不同介质阻挡对活性N原子产生及NO还原率的影响规律。结果表明,NO还原率随尖端距离lg的增大而先增后减,随极间电压Vm和气体停留时间t的增大而增大,尖端距离lg是决定电极之间的电场强度Eg和气流停留时间t的关键几何变量。利用活性N原子的产生条件解释了放电外轮廓直径及电场强度随尖端距离lg变化的消长规律。不同阻挡介质所形成的气体放电的电场强度不同,提供给活性粒子的能量也不同,从而对NO还原效果具有不同的影响。单电极尖端放电NO还原特性的研究结果对介质阻挡放电NO还原有指导作用。     

节流式燃/氧分离发动机准一维内弹道数值研究

针对节流式燃/氧分离发动机建立非定常准一维内弹道数值模型和性能调控机理关系式,以对发动机推力调控过程进行预示。数值模型考虑燃烧室中的燃气注入、壁面摩擦和推进剂燃面退移,采用有限速率化学反应模型描述化学非平衡过程。利用该数值模型,计算得到了节流式燃/氧分离发动机的调控性能参数及内部流动参数分布情况。结果显示,当流量调节阀喉部半径由2.89 mm调节至1.65 mm时,发动机推力可由105.09 N增至432.18 N,推力提升至调节前推力的411.25%,验证了节流式燃/氧分离发动机的推力调控能力。发动机在流量调节阀作动过程中出现负调现象,调节阀作动速度越大,负调量越大,但性能参数的响应时间越短。发动机性能调控影响因素分析表明：推进剂压力指数增大和喷管喉部半径减小均有助于节流式燃/氧分离发动机性能调控能力的提升,从而提出了喷管可调的节流式燃/氧分离发动机方案。其工作过程的仿真结果表明：在特定的推力调节比要求下,减小喷管喉部半径能够有效降低富燃燃烧室承压水平,为发动机性能调控提供更多可行方案。     

分子筛氧浓缩器非等温吸附模型

介绍了机载分子筛产氧系统OBMSOGS(OnBoard Molecular Sieve Oxygen Generating system)的工作原理和变压吸附PSA(Pressure Swing Adsorption)的基本理论,建立了分子筛氧浓缩器MSOC(Molecular Sieve Oxygen Concentrator)的数学模型.模型考虑了筛床的传热传质、压力变化和吸附热引起的吸附等温梯度的变化等因素对吸附性能的影响.动力方程采用线性推动力方程,采用混合Langmuir吸附等温理论计算吸附量.用所建立的数学模型对MSOC的吸附过程进行了模拟并对结果进行了分析.     

稳态等离子体推进器羽流场数值模拟

采用二维轴对称模型,使用粒子网格法(PIC)和直接模拟蒙特卡洛法(DSMC)相结合的方法,对稳态等离子体推进器(SPT)羽流场进行了数值模拟.采用DSMC方法中的随机取样频率法(RSF)求解粒子碰撞过程,并对比了不同的分配电荷方式、电子运动模型及SPT出口条件时的羽流场.将不同条件计算得到的羽流场中距SPT出口0.1?m,0.5?m及1.0?m处的离子电流密度和电荷密度与实验结果进行了对比,得出在采用面积权重法分配电荷、等熵模型描述电子运动和用实验值设定发动机出口参数时对SPT羽流场数值模拟的电流密度和轴向附近的电荷密度结果与实验结果符合程度较好的结论.     

LEO原子氧剥蚀太阳电池阵Ag互连材料的试验研究

暴露在低地球轨道(LEO)上的太阳电池阵,会与大量具有极强氧化性的原子氧发生碰撞,导致太阳电池阵中对氧原子敏感的Ag互连材料受到剥蚀。文章依据原子氧剥蚀Ag材料的机理,选取了约400 km高度轨道上1年时间内原子氧的累积通量作为最高剂量,进行了原子氧剥蚀不同厚度Ag互连材料的地面模拟环境试验。试验表明:Ag在原子氧作用下在宏观上会经历"氧化—剥落"的循环剥蚀过程。根据反应方程简化推导了Ag互连片的剥蚀厚度公式,同时结合试验结果计算出了不同厚度Ag互连材料的厚度损失率。该研究成果可为LEO太阳电池阵原子氧防护设计提供技术支持。     

石英玻璃的等离子体抛光技术研究现状

具有耐腐蚀、热膨胀系数低等诸多优良物理化学特性的石英玻璃在高性能光学系统中被广泛使用。要求元件达到纳米级别的表面粗糙度,而且没有损伤层和残余应力,因此精加工之后的超精密抛光工序尤为重要。本文介绍了气囊、磁流变、弹性发射、离子束等几种石英玻璃的精密抛光方法,侧重阐述了国内外等离子体的抛光技术,包括等离子体辅助化学刻蚀、等离子体喷射加工、等离子化学蒸发加工研究进展及取得的成果;且对等离子体的未来发展进行概述。     

基于COSMIC掩星精密定轨数据的等离子体层电子含量研究

等离子体层是日地环境重要的组成部分.本文利用COSMIC掩星精密定轨数据经处理后得到的podTec文件获取等离子体层电子含量（PEC）对等离子体层进行研究.将podTec数据进行处理后获得的PEC（pod-PEC）和IRI-Plas经验模型提供的PEC （IRI-PEC）进行对比,发现pod-PEC与IRI-PEC符合得较好.在低（0°—20°）、中（20°—50°）、高（50°—90°）修正地磁纬度带下,分析了COSMIC在太阳活动极大年（2014年）3,6,9和12月的pod-PEC,得到如下结论:PEC随着纬度升高而逐渐减少,且3,9月PEC在中低纬关于磁赤道的南北对称性较好,6月北半球各纬度带的PEC明显高于南半球同一纬度带的值,而12月情况则完全相反,南半球中纬的PEC甚至会等于北半球低纬的PEC值;PEC在白天高而晚上低,高纬地区的PEC昼夜变化不明显;PEC具有明显的季节性.对于北半球,一年中PEC最大值出现在春季,冬秋季次之,夏季最低,具有明显的年度异常现象.      

杂化聚酰亚胺的制备及其耐原子氧剥蚀性能

低地球轨道环境中的原子氧会剥蚀航天器表面材料,影响其性能和寿命,因此在使用时需要选用合适的手段来进行原子氧防护。采用溶胶-凝胶法,利用正硅酸乙酯在树脂体系中的水解-缩合反应,在基体中原位生成无机相而获得杂化聚酰亚胺。在原子氧效应地面模拟设备中,对杂化聚酰亚胺试样开展了性能评估试验,总结了试验前后试样的质量、表面形貌和表面成分的变化特点,并分析了材料耐剥蚀性能与正硅酸乙酯添加量的关系、杂化材料的耐剥蚀机理。结果表明,杂化聚酰亚胺的耐原子氧性能优于原树脂,其原子氧试验质量损失仅为原树脂的31。6% ~14。8%。分析认为,溶胶-凝胶过程中在树脂基体中生成的有机含硅结构和无机SiO₂,以及原子氧作用下杂化材料表面生成的SiO₂保护层,是杂化材料耐原子氧剥蚀性能提高的原因。     

磁路温度对霍尔推力器放电热稳定性的影响

为研究磁路高温性质变化对霍尔推力器放电热失稳的贡献及影响机理,对不同磁路温度下推力器的工作磁场强度开展了实验测量,对磁路温度变化与通道内等离子体放电行为变化的交互影响开展了Particle-in-Cell数值模拟研究。实验结果表明,当磁路温度由室温升高到600℃时,推力器的工作磁场强度发生了衰减,尽管衰减量不大(约5%)。模拟结果表明,磁路高温引起的场强衰减改变了推力器放电时的电导率及电势分布,进而对电子能量各向分布、粒子密度分布等造成了影响,促进了电子在壁面的通量及能量损失,主导了壁面等离子体沉积功率的增加,从而进一步加剧了磁路温度的增长。这是一个具有正反馈性质的过程;因此,若不能通过外部手段有效控制磁路温度,将诱发霍尔推力器的放电热失稳。