激光等离子体微推力器的发展及热点问题

激光微推力器在航天器的轨道调整、引力补偿、位置保持、轨道机动和姿态控制等方面存在巨大的潜在优势。对近年来激光等离子体微推力器的研究和发展进行了较全面介绍,并详述了激光等离子体微推力器发展过程中的几个热点问题,包括激光等离子体微推力器的工作模式和工质的选择、推力单元结构设计、微型激光器和微推力测试方法的研究与发展现状。通过对比分析,给出了目前所研究的激光等离子体微推力器的优缺点,为国内研制激光等离子体微推力器提供了一些有益参考。     

阵列表面电弧激励控制激波附面层干扰机理

为了获得阵列表面电弧控制激波/附面层干扰不稳定性机理，开展了高频激励和低频激励的实验研究。综合运用高速纹影、动态压力等先进测试手段和分析方法，揭示阵列电弧等离子体激励的热效应和涡效应特性。结合流动显示和壁面动态压力脉动，深度揭示了控制过程。更为关键的，因为高频激励模式下的激励器处于低功耗状态，这样可以提供稳定的控制效果。基于动态压力频谱分析，发现高频激励下低频不稳定性能量的占比降低12.2%。结合纹影显示，获得高频激励下的涡效应主导机制。     

Numerical analysis of deflection control of a gas plasma jet based on magnetohydrodynamic staggered electrode configuration

To control the deflection of the gas plasma jet, a new analytical method is proposed based on the Magnetohydrodynamic (MHD) technique. Based on the typical MHD power generation model, the applied voltage is applied to the staggered electrodes, that is, a pair of electrodes on the same side wall are connected to generate an axial current in the channel. Under the action of the magnetic field perpendicular to the direction of the flow, the plasma is subjected to electromagnetic forces perpendicular to these two directions, and the jet is deflected. The computational model including the Navier-Stokes equations coupled with electromagnetic source terms, the electric potential equation and Ohm’s law is solved. The deflection of the gas jet under the action of an electromagnetic field is observed, and the maximum deflection angle is about 14.8°. The influences of the electric field, magnetic field, and conductivity on the jet deflection are studied. Results show that although the influences of these three factors on the deflection are similar, and the effect of increasing the electric field strength is slightly greater, priority should be given to increasing the magnetic field strength from the perspective of reducing energy consumption. The Stuart number is introduced to assess the ability of electromagnetic force to control jet deflection. When the electromagnetic parameters are constant, this solution provides better control of low-density and low-speed fluid flows. The calculation results show that using the staggered electrode method configuration is feasible in terms of controlling the deflection of a plasma jet deflection.     

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。     

空气/煤油火炬点火器设计及试验

为解决超燃冲压发动机点火难题，设计了一种以空气和煤油作为氧化剂和燃料的火炬点火器。点火器能量设计为300kW，空气和煤油的设计流量分别为98.9g/s和6.7g/s。采用软件CHEMKIN4.0对不同当量比条件下点火器出口气流参数进行了计算，将点火器的工作状态优选为富氧模式。煤油从点火器端面经旋流喷嘴注入，空气分为一次喷注和二次喷注两个支路，采用普通汽车火花塞点燃空气煤油混合物。建立了试验系统，压力测量和摄影图像表明该点火器能够在当量比在0.3~1.3范围内可靠工作。点火器的起动时间约为0.9s，火焰长度约为30cm，存在高频率小幅值脉动燃烧现象。试验表明该点火器能够可靠点燃超燃冲压发动机。