高功率螺旋波等离子体诊断试验研究

高功率螺旋波等离子体源作为可变比冲磁等离子体发动机(Variable Specific Impulse Mag-netoplasma Rocket,VASIMR)的第一级,其参数直接影响发动机的性能。为提高螺旋波源的等离子体密度和工质电离率,以4kW螺旋波等离子体源为研究对象,利用射频补偿Langmuir探针诊断等离子体的离子密度和电子温度。试验结果表明,在强磁场条件下,随着功率的升高,螺旋波等离子体源内部共出现两次放电模式转换,最终进入了螺旋波放电模式。在达到螺旋波放电模式后,羽流区域的等离子体密度超过1×10~(12)cm~(-3),初步评估,放电天线区域的离子密度超过2×10~(14)cm~(-3),离子密度在放电管中心区域较高,沿径向逐渐降低。研究结果为30kW磁等离子体发动机的研制提供依据。     

螺旋波等离子体推力器放电过程的流体模拟

针对建立三维数值模型对螺旋波等离子体推力器放电进行数值模拟计算量过大的问题,使用COMSOL多物理场软件建立了二维轴对称结构,采用漂移-扩散流体模拟方法,分别改变工质气体种类、气体压强及射频功率,模拟了螺旋波等离子体放电过程,分析了不同参数条件下放电室中电子数密度、电子温度、碰撞功率损耗分布情况,结果显示,在一定条件下气体压强越大,电子数密度越高,电子温度越低,碰撞功率损耗越大,在1600～2400 W范围内,随着射频功率增大,电子数密度和碰撞功率损耗增加,电子温度变化较小,电子数密度在10~(18 ) m~(-3)左右,为螺旋波等离子体推力器的设计与实验研究提供了参考。     

电弧加热发动机羽流电子温度及电子数密度的双静电探针测量

研制了一套双静电探针测量系统,对以氩气为推进剂的1kW级电弧加热发动机羽流进行了测量,得到了电子温度和电子数密度的轴向和径向分布,以及随弧电流、气流量的变化趋势。结果表明,羽流显著偏离局域热力学平衡状态,电子温度呈现复杂的分布和变化趋势。羽流轴线上的电子温度明显低于偏离轴线处的值,而电子数密度远高于偏离轴线处的值;羽流轴线上的电子温度随弧电流的增加而降低,电子数密度随弧电流的增加而增加;羽流中心区电子温度随气流量的变化趋势不明显。     

离子发动机羽流特性的数值模拟

离子发动机羽流中产生的交换电荷(CEX)离子返流会影响航天器的正常工作.建立离子发动机羽流模型,采用单元内粒子方法(PIC)对羽流场进行数值模拟计算.结合DS-1探测器飞行实验的测量结果,分析了卫星电势、电子温度、卫星几何尺寸、推力器工作特性等对相关因素对CEX离子返流特性的影响.结果表明:从推力器出口附近到卫星背面,CEX离子密度为108~1012m-3.当卫星电势从-15V变化到27V,测量点位置处CEX离子密度从0.65×1012m-3变化到1.5×1012m-3.羽流中CEX离子密度和电势结构随电子温度变化不大,但电势大小随电子温度成比例地变化.同一位置处不同工况下CEX离子的密度可根据CEX离子生成率与工作点参数间的关系式准确地估计.卫星安装推力器的表面起着对CEX离子返流屏蔽和降低的作用.      

20A发射电流空心阴极小孔区等离子体特性研究

为了获得30cm口径离子推力器20A额定发射电流空心阴极工作时小孔区的等离子体特性参数,并验证现有阴极小孔结构设计下的阴极电流发射能力,采用数值模拟及有限元分析方法研究了空心阴极小孔区的等离子体特性参数。结果显示:空心阴极小孔区的中性原子密度基本在4×10~(21)~6×10~(21)/m~3,分布较为均匀且越靠近小孔出口区域的原子密度越低;当阴极发射体温度为1800K时,采用等离子体零维扩散模型得到阴极小孔区轴向平均电子温度约为2.66e V,且靠近阴极顶小孔出口方向电子温度相对较高,从小孔区入口至出口电子温度增幅在1~2e V;通过离子连续性方程得到阴极孔区内,等离子体密度约在1×10~(21)~1.4×10~(21)/m~3,靠近出口处的等离子体密度降低较为明显;通过电子连续性方程,得到小孔区入口处的电子电流约为7.2A,而出口处的电子电流约为11.6A,与性能测试试验结果一致,电子电流增益系数约60%;离子电流密度峰值约为6.16×106A/m~2,出现在距离小孔入口约0.5mm处。通过理论分析认为,阴极孔区的腐蚀特点是靠近出口处的直径在离子腐蚀作用下不断地扩张,并在扩张到一定程度后,孔区出口处被腐蚀后的直径将不会再发生变化,理论分析腐蚀趋势与兰州空间技术物理研究所研制的LHC-5阴极小孔区寿命试验腐蚀情况基本一致。     

Langmuir双探针测量Hall推力器羽流特性

应用Langmu ir双探针测量了距离Hall推力器出口30~100 cm的羽流特性。实验中真空舱压力保持在5×10-4~2×10-3Pa之间。实验证明,电子温度和数密度随着角度和轴向距离的变化而变化,但羽流中远场的电子温度变化幅度很小,基本稳定在0.455 eV左右;电子数密度随着与轴向距离和中心轴夹角的增加而减小。实验结果可为高性能的Hall推力器设计提供参考依据,并为等离子体羽流的数值模拟提供输入条件和验证依据。     

高功率波加热磁等离子体推力器研究现状与展望

波加热磁等离子体推力器具有适于高功率运行（约100 kWe～1 MWe）、高推力密度（约4×105 N/m2）、可变推力（约1～100 N）和可变比冲（约3 000～10 000 s）等优点,是适用于未来多种空间任务的高性能电推力器。结合波加热磁等离子体推力器的发展历程,梳理了近年来波加热磁等离子体推力器的国内外研究现状,总结了其发展面临的单程离子回旋共振加热、等离子体分离控制、强磁场中高密度等离子体诊断等理论问题,以及高效热管理、高功率射频电源等工程难点。最后,根据波加热磁等离子体推力器的特点,对其具体应用方向做出了展望。     

电子回旋共振等离子体推力器放电机理数值模拟研究

电子回旋共振等离子体推力器(ECRPT)是一种高比冲、高效率且结构简单的新型电磁式推力器。为了研究推力器的放电原理和工作机制,采用漂移-扩散流体模拟方法,仿真模拟了微波等离子体放电过程。仿真结果表明,电子数密度达到10~(16)~10~(17)m~(-3)数量级,氙气的电子数密度比氩气高50%;电子数密度、碰撞功率损耗均随着计算域内压强的增大而增大,电子温度随压强的增大而减小;电子数密度、碰撞功率损耗随着入射微波功率的增大而增大。在未来ECRPT的实际应用中,可以通过使用氙气,适当增大推力器腔内压强以及入射微波功率,使其具有最佳的推力、比冲和工作效率。     

高含铝推进剂低压固体火箭发动机尾流场复燃数值模拟与实验研究

为研究高含铝推进剂低压固体火箭发动机的尾流场特性,利用流体计算软件Fluent,采用三维雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流模型,对高含铝固体推进剂低压发动机尾流场复燃进行了数值模拟和实验研究。结果表明:低压下高含铝固体推进剂羽流复燃时,温度分布呈现"双峰"的现象,第一温峰是纯气相燃烧形成的,第二温峰是铝粒子燃烧形成的;且铝粒径越小,第二温峰出现的位置离喷管越近,铝粒子温度越高,最高可达1124K;燃烧室压强越高,第二温峰出现的位置离喷管越远。发动机试车试验中也出现"双峰"的羽流温度场,且测得粒子最高温度为1141K,与模拟结果吻合较好。     

高背压等离子点火器及其液体燃料点火特性实验研究

航天应用的液体火箭发动机及燃烧型加热器燃烧室室压高、燃料流量大、温度低、有重复启动需求,实现安全可靠点火的难度较大.针对这些需求,研究了一种采用高背压设计的电弧等离子体点火器.实验研究了Ar,N2气体工质在高进气压力下的伏安特性,发现N2在宽压力范围内适用于点火.发射光谱分析表明,在高达数MPa的进气压力下,Ar,N2...     

MACH2 simulations of a micro laser ablation plasma thruster

In this work the detailed physical processes occurring in the high density plasma that is ejected from the solid propellant surface in a small laser ablation thruster are simulated using MACH2. Qualitative results of the laser ablation process that leads to propellant erupting from the surface and leaving behind a crater in a solid Teflon® propellant are presented. Simulations were conducted for a 0.5 μs laser pulse (FWHM) at 935 nm with laser pulse energy ranging from 20 μJ to 2 mJ. Simulation results indicate that crater diameter and depth increase with pulse energy. The impulse bit also increases with pulse energy. Specific impulse follows the opposite trend and decreases with laser pulse energy. The simulated impulse bit for a 2 mJ, 0.5 μs laser pulse over-predicts that reported in the literature for a 2 mJ, 2 ms laser ablation thruster pulse by approximately one order of magnitude and under-predicts the specific impulse by approximately one order of magnitude.     

一种小功率孔形阳极喷嘴等离子体炬的研究

为了提高小功率等离子体炬的综合性能,本文作者研制了一种新型具有孔形阳极喷嘴的小功率等离子体炬,功率1~5kW。采用流体模拟计算的方法,计算了喷嘴出口附近射流的流场结构特点。通过实验分别测试了采用氩气、氮气作为工质气体时等离子体炬的运行电流和电压,观察了等离子体射流形态和电极烧蚀情况,通过测量等离子体射流前方中心轴线位置处的光谱的方法计算射流温度,采用气体分析仪测量了等离子体射流附近的二氧化氮浓度。测得的试验数据显示相同工质流率和电流条件下,氮气等离子体射流运行电压远高于氩气,而光谱测得氩气射流的温度远高于氮气。氮气等离子体射流和外界空气接触产生了少量的副产物二氧化氮（低于10mL/m3）,而氩气等离子体射流附近无二氧化氮产生。     

脉冲等离子体推力器羽流特性数值研究

以脉冲等离子体推力器羽流为研究对象,建立三维物理模型,简化并离散电子动量方程,运用单元粒子-直接模拟蒙特卡罗混合法模拟非稳态羽流流动.假定脉冲周期内推进剂粒子按正弦规律进入流场,分析流场中电势、电子、离子和原子数密度分布随着时间变化情况,并通过与已有实验数据的对比验证仿真模型.研究表明:模型能在垂直和平行于推力器极板的两个平面内预测等离子体羽流流场参数.该研究方法、结果对更深入研究脉冲等离子体推力器(PPT)羽流具有参考价值.      

低功率电弧加热推力器喷管温度与性能

电弧加热推力器利用直流电弧放电加热推进剂,并将加热后的推进剂通过拉瓦尔喷管高速喷出产生推力。电弧加热推力器的性能与其喷管内部复杂的传热与流动以及能量转换过程密切相关。分别以纯氩、氮、氢气以及氢/氮混合气为电弧加热推力器的推进剂,在推进剂供给流量4～270mg/s,弧电流4～12A,环境压力低于20Pa的条件下,实时检测了自然辐射冷却及推进剂再生冷却喷管的电弧加热推力器在运行过程中的喷管外表面温度、弧电压、产生的推力等参数及其变化,综合分析了喷管温度变化对推力器性能的影响。     

氢-氮电弧加热推力器运行参数与性能

采用氢气和氮气的摩尔比r在1.0~2.0范围的混合气体作为推进剂,实时检测电弧加热推力器运行中的弧电流、弧电压、入口压力、真空室压力、质量流量和喷口温度等工作参数,研究了比功率、r和质量流量对推力器产生的推力、比冲和推力效率的影响。实验结果表明,同时增加混合气体的质量流量和r能有效提高推力器的推力;较高的r能获得高的比冲和效率,尤其是比冲随着r的提高明显地单调上升。     

Density and Temperature in Wind Tunnels Using Electron Beams

In a paper presented at the last meeting of the International Congress on Instrumentation in Aerospace Simulation Facilities, a method of measuring gas density by radiation scattering was presented. Since that time, the method has been further developed using scattering of 50-keV electrons and has been applied in a wind tunnel using air as a test gas. Test section temperature and density were in the neighborhood of 150°K and 6×10-8 g/cm3. In this application, accuracies better than 1.0 percent appear to be attainable, together with excellent spatial and temporal resolution. The application is described, and comprehensive design data are presented. In addition, the density measurements have been supplemented by measurements of the local rotational temperature, utilizing nitrogen molecular band radiation excited by a second electron beam. Comparisons between the density and temperature measurements and flow properties obtained by standard gas-dynamic calculations are made.     

强激波阵面的非平衡特性研究

利用测量强激波波后N_2~+第一负系(0,0)带和(1,2)带的辐射,对强激波后振动温度历程的进行了测量;利用Langmuir探针技术,在低密度激波管中对强激波后电子数密度历程进行了测量;在弹道靶中进行了激波脱体距离的测量研究.测量和计算结果进行了对比,结果表明:N_2~+B~2∑_u~+态的激发比振动能的激发更快:实验测得的振动温度有明显的周期性振荡;在激波速度7.65km/s～7.85km/s、p_1=1.33Pa、实验段内径0.8m下,实验有效时间只有约6.5μs,实验中的电子数密度不能达到峰值,在约10倍波前自由程的实验有效区域内,电子数密度的测量值与计算值吻合很好.激波脱体距离的测量误差约为5%,是目前国内精度最高的结果.     

微波干涉仪在火箭羽流电子密度测定中应用研究

为研究火箭羽流的等离子体对导弹隐身性能和制导能力的影响,利用微波干涉仪设计了一种基于微波法的电子密度测试系统。采用有效的噪声屏蔽硬件措施和消除噪声的数据处理方法,提高了电子密度测试的精度。准确测试出不同推进剂之间电子密度特征上的差异,其测试结果与理论预估相符。该测试系统的使用对高电子密度的推进剂配方改进及等离子发动机设计具有一定的指导意义。     

Investigation of MHD power generation with supersonic non-equilibrium RF discharge

Magnetohydrodynamic (MHD) power generation with supersonic non-equilibrium plasma is demonstrated. Capacitively coupled radio frequency (RF) discharge (6 MHz, maximum continual power output of 200 W) was adopted to ionize the Mach number 3.5 (650 m/s), 0.023 kg/m3 airflow. In a MHD channel of 16 mm × 10 mm × 20 mm, MHD open voltage of 10 V is realized in the magnetic field of 1.25 T, and power of 0.12 mW is extracted steadily and con-tinuously in the magnetic field of 1 T. The reasons for limited power generation are proposed as:low conductivity of RF discharge; large touch resistance between MHD electrode and plasma;strong current eddies due to flow boundary layer. In addition, the cathode voltage fall is too low to have obvious effects on MHD power generation.     

液体推进剂运载火箭爆炸热过程特性试验研究

详细描述了液体火箭推进剂（Ｎ２Ｏ４／ＵＤＭＨ）爆炸试验装置及其爆炸热过程特性测量。通过５０ｋｇ、１００ｋｇ、３００ｋｇ三种不同推进剂总质量的爆炸试验，得到了推进剂爆炸火球内部温度场、辐射温度场、辐射热流场和火球直径等热过程特性参数。还分析了热过程特性参数随推进剂总质量、时间和空间位置的变化规律。