CO2激光焊接等离子体对入射激光传输的影响及其三维重建分析

叙述了高功率密度激光焊接时激光焊接等离子体对入射激光的反射、折射、吸收、散射等现象以及对激光焊接等离子体的诊断和抑制方法;介绍了对激光焊接等离子体的三维同步高速摄影以及通过三维同步高速摄影照片对激光焊接等离子体的三维重建.     

等离子体涡电磁散射特性及隐身性能

 针对非均匀等离子体在飞行器隐身中的应用,采用分段线性电流密度递归卷积时域有限差分（PLJERC-FDTD）方法计算等离子体涡及涡串电磁散射特性,分析等离子体涡对飞行器隐身性能影响。计算表明,等离子体涡在很大频率区间对电磁波吸收效果显著,RCS降低很大,具有明显的隐身效果。等离子体涡表现出一定规律性的极化特性,对L,S和C波段电磁波具有不同的吸收、反射特性。     

温度、密度对目标等离子体隐身效果影响的FDTD分析

采用等温近似,给出覆盖目标的不均匀的、各项同性的、热的、碰撞的、等离子体的电磁反射的三维FDTD算法的公式。在一维条件下,计算了不同密度分布、不同温度的等离子体对电磁波的反射系数。给出了温度、密度对电磁波在等离子体中的碰撞吸收的影响。结果显示,增大等离子体的温度和密度将有利于等离子体对电磁波的吸收,增大吸收的带宽,减小等离子体覆盖目标对电磁波的反射。     

激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程实验研究

为了加深对激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程的认识，本文对有无陶瓷隔离板和不同初始电压下的激光支持的脉冲等离子体推力器进行了实验研究。利用放电伏安特性对比了放电特性参数和性能参数，然后利用结合窄带滤光镜的高速摄影技术揭示了性能差异背后的物理过程变化。结果表明，陶瓷隔离板可以有效避免放电电弧对工质的烧蚀，这可以抑制滞后烧蚀的产生，从而提高推力器的推进性能。对激光烧蚀产生的工质的电离和加速是在多次振荡放电过程中进行，而不像理想电流片模型那样只电离和加速一次。放电通道内工质的电离和加速效果最为显著的时间为放电的第2个半周期。随着初始电压的增加，单位放电能量产生的推进性能先增加后趋于平稳，然后继续增加。单位放电能量产生的推进性能在初始电压高于2050V后得到较大的提高，通过放电等离子体图像推测，这意味着附着等离子体电弧的存在对推力器性能的提高有重要影响。     

等离子体在航空隐身工程应用的若干问题探索

国外关于俄罗斯第五代战斗机1.44的隐隐约约报导,以及关于美国B-2轰炸机用电动力学减阻及等离子隐身的点滴分析,引起了世界航空界的关注。国内也掀起了用等离子体隐身的研究热潮。这是一件大好事。等离子体与雷达电磁波可以互相作用是众所周知的,但国外由预先研究到工程应用,也经历了20多年。问题是我们跟踪这一技术途径时,要解决一系列难题,并尽快研制出能产生高电子数密度(4.02×1018/m3)、尺寸小、耗能低(几十千瓦)、寿命长的等离子体发生器来,以供飞机在外围自由空间大面积的使用。进行技术设计时,应选择有限目标,根据作战任务,寻求最有利的等离子体频率、碰撞频率、雷达入射波频率、电子数密度空间分布等参数的最佳组合,以获最好阻抗匹配。应利用等离子体能反射、折射、吸收、干扰雷达波的机理,巧妙使用相干与湍流,碰撞与截止,以最小的能源消耗,获得最大的雷达回波损失。由于等离子体内部波动状态十分复杂,又难以保持其稳定性,因此,对雷达波反射几乎是不可避免的,处理这一问题时主要是让其偏离原来的方向。     

离子推力器放电腔内等离子体流动规律的全粒子模型

为了详细描述等离子体在放电腔内的产生、演化过程,建立了放电腔内部等离子体流动的二维轴对称全粒子数值模型。在考虑壁面二次电子发射影响的前提下,模拟得到了稳态后放电腔内电磁场、电子与离子数密度,电流密度等一系列参数分布,且与相关实验数据进行了比较,吻合较好。模型得到了实验中难以观测到的放电腔内等离子体的产生、演化过程以及稳态下的分布规律,合理解释了放电腔工作的基本原理。     

LIPS-200环型会切磁场离子推力器热模型计算分析

为了建立国内自行研制的20cm口径LIPS-200环型会切磁场离子推力器放电室的热模型,研究了放电室内等离子体的产生过程,得到了二次电子的温度、离子密度以及电子密度分布规律,在此基础上得到放电室各个关键部件的电流沉积和能量沉积热模型。以热模型计算结果为依据,进行了推力器稳态工作下的有限元热分析以及热平衡验证试验。结果显示:推力器处于稳定放电时,放电室内电子温度分布范围为2~4e V;电离基本发生在放电室轴线附近,此处电离产生率和电子温度最高,并且整个放电室内离子密度约为1017/m3;放电室的内表面能量沉积主要来自二次电子及Xe离子。     

电子回旋共振离子推力器放电室低信号调试

微波输入技术是电子回旋共振离子推力器的关键技术之一,输入微波在推力器放电室内产生谐振的时候,微波功率才能高效地被吸收,从而电离气体,提高电子的能量,增加等离子体的电离度。电子回旋共振离子推力器放电室是一个不规则的微波谐振腔,很难从理论上确定其谐振状态下的结构。本文利用网络分析仪,采用微波无源器件回波损耗的测试方法对放电室进行精确调谐,分析微波谐振频率及带宽,目的在于详细研究放电室的结构尺寸、微波耦合探针形状和尺寸在谐振状态下的匹配性。调试结果表明放电室增加14 mm圆柱段,选择圆柱段长度22 mm和球形直径9 mm的组合探针,可以得到较好的谐振状态,此时腔体的回波损耗为-23 dB,谐振频率4.195 GHz,谐振带宽为0.025 0 GHz,品质因素为167.848。     

甲烷-空气混合气体放电等离子体增强点火机理分析

为研究放电过程产生的等离子体对缩短甲烷点火延迟时间的效果,针对脉冲式放电,本文耦合了密度方程、能量传递方程以及Boltzmann方程,对于甲烷-空气混合气体放电粒子浓度变化规律进行了研究分析。将计算得到的放电过程中激发态分子及活性自由基作为初始组份代入CHEMKIN中进行计算,计算了放电条件下等离子体对于甲烷点火延迟时间的影响。相比于附着过程,甲烷粒子弹性碰撞、激励、电离过程的碰撞截面要大2~5个数量级。随着粒子能量的增加,各个过程碰撞截面的变化并不单调,均存在碰撞截面最大的点。混合气体的激发过程导致了80%以上的能量损失。当约化场强逐渐增大时,甲烷的电离效应逐渐增强。混合气体的附着与弹性碰撞效应造成的能量损失比较小,相比激发与电离效应可以忽略。放电过程能够产生大量不同种类的活性粒子与自由基,不同活性粒子随时间变化的规律不相同。其中,随着放电,振动激发态氮分子浓度保持为1015/cm3量级。电子激发态氮分子粒子数密度随着放电的进行,在10-8s~10-7s会产生一个峰值。模型计算的单脉冲放电产生的活性粒子,在大多数点火温度下,可将点火延迟时间缩短10%以上。脉冲式放电对于甲烷-空气混合气体点火有显著的增强效果。     

发散磁场中等离子体加速和推进性能数值研究

稳态螺旋波等离子体推力器中,源室放电获得的一定能量的等离子体经过磁喷管加速产生预定的推力和比冲。为了分析在发散磁场约束下,等离子体的运动受约束磁场和内能变化的影响规律及其推进性能,引入了考虑电子和离子不同响应的二维轴对称数值模型。计算了入口中心磁感应强度[B0]为100～500G、电子温度[Te0]为3.0～10.0eV时等离子体的运动。结果表明,入口等离子体的内能增加,[B0]保持100G不变时,其最终膨胀的绝对速度增加,比冲从400s提高到约为580s;内能变化对比冲[Isp]的影响大于磁感应强度。不考虑等离子体与磁场相互作用情况下,文中计算的磁场范围可以最大限度地将内能转化为等离子体的轴向定向动能;为了提高[Isp],应适当增加电离段等离子体获得的能量,且可以适当降低对产生约束磁场的电流线圈输入能量要求。     

感性耦合夹层等离子体隐身天线罩电磁散射分析

设计了一种石英夹层感性耦合等离子体（ICP）隐身天线罩模型,采用有限元与Z变换时域有限差分（ZT-FDTD）联合仿真的方法,建立了ICP放电的流体模型,得到不同气压及功率下与电磁散射相关的电子密度空间分布,在此基础上建立Z变换时域有限差分法模型,对石英夹层等离子体隐身天线罩的宽频段后向散射进行计算,同时利用微波干涉法及XFDTD软件对算法及程序进行验证。结果表明：感性耦合等离子体可产生较高密度等离子体,能有效实现雷达散射截面（RCS）的减缩,在气压为2 Pa时,碰撞衰减较弱,等离子体密度分布较均匀,衰减带宽集中在等离子体振荡频率附近,功率增加会使衰减峰值向高频方向移动,气压为20 Pa时,碰撞衰减增强,且等离子体密度分布有较大梯度,衰减带宽有效增加,同时RCS曲线的波动特性加强。     

Stimulated electromagnetic emissions by high-frequency electromagnetic pumping of the ionospheric plasma

A high frequency electromagnetic pump wave transmitted into the ionospheric plasma from the ground can stimulate electromagnetic radiation with frequencies around that of the ionospherically reflected pump wave. The numerous spectral features of these stimulated electromagnetic emissions (SEE) and their temporal evolution on a wide range of time scales are reviewed and related theoretical, numerical, and simulation results are discussed. On long (thermal) time scales the SEE constitutes a self-organization of the ionospheric plasma which depends on the interaction of nonlinear processes in a hierarchy of time scales in response to the electromagnetic pumping. Particularly, the appearance of the rich SEE spectrum is associated with the slow self-structuring of the plasma density into a spectrum of magnetic field-aligned density striations. The dependence of the SEE on electron gyroharmonic effects and the presence of density striations suggests that the existence of a magnetic field in the plasma is important for plasma turbulence to dissipate into non-thermal electromagnetic radiation during the long time quasi-stationary state of the turbulence evolution.     

等离子体对GPS信号载噪比的影响

飞行器再入过程产生等离子体,等离子体中电子密度的变化对电磁波信号造成幅度衰减和相位偏移,严重时导致通信中断。理论分析了等离子体对GPS信号载噪比的影响;利用实验室环境下的等离子体模拟装置,设计了GPS二键相控(BPSK)调制信号透过等离子体的地面模拟方案,进行了等离子体对GPS接收机性能影响的实验研究,获得了不同电子密度下的衰减和导航信号载噪比的数据。实验结果与理论分析一致,不仅证明了等离子体下衰减与导航信号载噪比的变化是一致的结论,而且验证了实验方法的有效性。     

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。     

用于飞行器隐身的闭式等离子体厚度选择分析

为分析闭式等离子体用于飞行器隐身的可行性,引入了可观隐身效果的概念及对应的闭式等离子体厚度。采用WKB方法,详细研究了X波段下的闭式等离子体吸波效果,得到了对应频段下产生可观隐身效果需要的等离子体厚度;研究了不同电子密度分布的吸波特性,数值算例说明,对不同电子密度分布的等离子体,吸波效果与厚度均成线性关系,同时,采用理论推导验证了该现象的正确性。结果表明,对于给定的电磁波,采用一定厚度的闭式等离子体可以达到可观隐身效果。     

天线窗材料热透波特性风洞测试方法

高超声速飞行器天线窗材料在等离子体包覆条件下的热响应和热透波特性测试,是分析天线窗材料特性、研究电磁波在等离子体和天线窗中传输特性的基础。针对等离子体和天线窗中电磁波传输特性,采用矢量网络分析仪和标准增益天线组成的电磁波传输测试系统,获得了一定频率的电磁波经过等离子体和高温天线窗之后的衰减;针对高温天线窗自身热响应特性和电磁波在其中的传输特性,研究了天线窗材料在一定热流作用下的温度分布和烧蚀特性,测试了烧蚀后处于高温状态且无等离子体覆盖的天线窗对电磁波的影响,分析了天线窗高温透波特性与常温透波特性的差异。所建立的方法,为在地面等离子体风洞中开展天线窗热透波特性研究、分析天线窗和等离子体耦合作用对电磁波传输特性的影响建立了基础。     

Luminescent Nanocrystalline Silicon Carbide Thin Film Deposited by Helicon Wave Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition

Hydrogenated nanocrystalline silicon carbide (SiC) thin films were deposited on the single-crystal silicon substrate using the heli-con wave plasma enhanced chemical vapor deposition (HW-PECVD) technique. The influences of magnetic field and hydrogen dilution ratio on the structures of SiC thin film were investigated with the atomic force microscopy (AFM), the Fourier transform infrared ab-sorption (FTIR) and the transmission electron microscopy (TEM). The results indicate that the high plasma activity of the helicon wave mode proves to be a key factor to grow crystalline SiC thin films at a relative low substrate temperature. Also, the decrease in the grain sizes from the level of microcrystalline to that of nanocrystalline can be achieved by increasing the hydrogen dilution ratios. Transmis-sion electron microscopy measurements reveal that the size of most nanocrystals in the film deposited under the higher hydrogen dilution ratios is smaller than the doubled Bohr radius of 3C-SiC (approximately 5.4 nm), and the light emission measurements also show a strong blue photoluminescence at the room temperature, which is considered to be caused by the quantum confinement effect of small-sized SiC nanocrystals.     

电磁波在等离子体高温气体中传输特性实验研究

针对高超声速飞行器头身部形成的等离子体鞘套对通信的影响,在中国空气动力研究与发展中心的粉末激波管上开展了电磁波在等离子体高温气体中传输特性的实验研究。实验中获得了等离子体气体中的电磁波透射率、电子密度和碰撞频率。实验结果表明：X波段和Ka波段电磁波在高激波马赫数Mas=16.1、1区气体压力P1=1200Pa的激波管实验状态下产生的厚度80mm等离子体高温气体中能量衰减大于30dB,难以传输;X和Ka波段电磁波在激波马赫数Mas=15.9、1区气体压力P1=80Pa的激波管实验状态下产生的厚度80mm等离子体高温气体中能量衰减大于30dB,难以传输;X波段和Ka波段电磁波在激波马赫数Mas=10.1、1区气体压力P1=80Pa的激波管实验状态下产生的高温等离子气体中平均传输损耗较小,可以进行有效传输;Ka波段电磁波在激波马赫数Mas=8.9、1区气体压力P1=1200Pa的激波管实验状态下产生的厚度80mm等离子体气体中平均传输损耗小于1dB,可以进行有效传输。实验得到的等离子体高温气体中的电磁波透射率、电子密度和碰撞频率与理论计算值基本一致。     

微波在薄层等离子体中传输效应研究

为了准确预测再入飞行过程中等离子体对微波传输特性的影响,采用WKB方法、FDTD方法、平面波理论和薄层等离子体理论4种方法,结合粉末激波管上开展的试验研究了X波段和Ka波段微波在薄层等离子体中的传输效应。对于X波段,试验时激波马赫数为9.6、10.7和10.5;对于Ka波段,试验时激波马赫数为10.5。通过对比与分析获得的主要结论有：当等离子体厚度和入射波波长相近时,薄层等离子体理论计算结果比其它三种方法的计算结果更接近于试验结果;在碰撞频率接近并且电子密度小于临界电子密度的条件下,Ka波段微波信号穿过相同厚度的等离子体比X波段微波信号衰减小得多,具有更强的穿透性;如果等离子体碰撞频率和微波入射频率相同,随着电子密度的增加,微波信号穿过相同厚度的等离子体时衰减变大;当碰撞频率和入射波频率差不多时,共振吸收导致衰减达到最大值。     

柴油机两级VNT混联系统整机效率优化

为提高柴油机的余热回收利用率,提出一种基于可变喷嘴环式涡轮VNT（variable nozzle turbine）技术的两级涡轮混联系统。该系统根据柴油机运行工况,通过控制阀门的开闭来实现混联系统中串联工作模式和并联工作模式的转换。以涡轮的有效直径为参数来表征涡轮的流通能力,利用GT-Power仿真平台研究了两种工作模式下增压涡轮和动力涡轮的流通能力对发动机功率、动力涡轮功率及涡轮增压器性能的影响规律;提出了增压涡轮、动力涡轮与发动机的匹配策略;以系统整机效率最优为目标,针对柴油机不同运行工况进行混联方式的优化控制。结果表明:针对柴油机的不同运行工况,通过两级VNT复合系统混联优化运行方案,能够有效回收柴油机废气能量,额定工况下系统整机效率提高5.1%。