径向压力和温度分布对螺旋波等离子体波场和能量吸收影响研究

为了揭示螺旋波等离子体推力器中的等离子体源功率耦合机理,针对气体工质电离后被射频加热的稳态过程,考虑等离子体密度非均匀分布条件,采用三参数压力函数(fa,sp,tp)和温度函数(f_a,s_t,t_t)表示柱状等离子体内压力和温度的径向分布,分析了径向压力梯度、温度梯度对螺旋波等离子体内功率沉积、波电场、波磁场和电流密度的影响。考虑梯度为正,梯度为负和梯度为零三种梯度类型。结果发现:压力梯度为正时,螺旋波在等离子体临近壁面处的功率沉积减弱,但射频波透入深度增加,原因是靠近管壁处等离子体密度较低,RF波径向单位长度衰减较少,透入深度增加。温度梯度为负时,柱状等离子体中心处能量沉积变强,原因是管中心位置等离子体密度较大,电子温度较高,与RF波能量耦合增强;横向截面的电磁场、电流密度分布在不同压力和温度梯度下基本不变,证明了m=1模式的稳定性。     

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。     

基于螺旋慢波加热机制的电子回旋共振离子源电磁计算分析

为提高电子回旋共振离子推力器(ECRIT)的推力,扩展其应用领域,从制约离子源电离度的电子加热机制出发,研究螺旋慢波条件下ECR离子源的电子加热机制,并与传统耦合天线的加热机制进行对比,得到了螺旋慢波的加热特点。基于螺旋天线的色散方程,采用有限元方法,计算并分析不同结构参数下离子源放电室内静磁场、微波电场和ECR区电子获能指标的分布规律,最终获得螺旋慢波加热的新型ECR离子源结构。计算结果表明,螺旋慢波条件下,电子加热范围得到显著拓宽,更有利于离子源电离度的提高。在输出频率4.2GHz、输出微波功率30W和给定离子源腔体结构条件下,以最宽电子加热范围为目标,计算得到离子源最佳的螺旋慢波耦合天线和磁路结构,此时螺旋角为7°,磁环位置为a=10mm,b=20mm。     

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。     

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。     

微推力ECR离子推力器等离子体源电子获能计算分析

为满足小型航天器的微推进需求,开展了微推力电子回旋共振(ECR)离子推力器的计算研究。实现该推力器的关键是ECR等离子体源合理的磁场和电场分布数值计算,从而使电子在穿过ECR谐振区时能够获得最大能量。为此以双环形永磁材料结构作为磁路,分别以直线形、环形和盘形微波耦合天线产生微波电磁场,同时改变等离子体源特征长度,利用有限元软件计算并分析ECR等离子体源内磁场和微波电场的分布规律以及电子在ECR区的获能规律。结果以微波输入功率5W、频率4.2GHz为例,发现环形耦合天线与较短等离子体源特征长度的结构组合可使电子在ECR区的获能指标达到最大且分布最佳。     

磁等离子体发动机中离子回旋共振加热多组分流体模拟

离子回旋共振加热（Ion Cyclotron Resonance Heating,ICRH）单元的加热效果对磁等离子体发动机（Magnetoplasma Rocket Engine,MPRE）的推力性能有至关重要影响。为研究ICRH的加热效果,本文建立了用于模拟MPRE中ICRH单元的二维轴对称多组分流体模型,并采用该模型对MPRE中螺旋波等离子体源的工作模式与不同输入条件的ICRH单元进行了模拟。计算结果表明：螺旋波等离子体源在放电过程中要经历从Trivelpiece-Gould (TG)波模式向螺旋波模式的转变过程,模式转变时电子温度出现峰值,等离子体密度迅速上升;开启ICRH输入后,电子参数基本不变,离子温度有明显提升,表明ICRH单元对离子有显著加热效果;此外,离子温度随ICRH输入增大而升高,ICRH输入电流150A时,离子温度可达50eV以上。     

射频感性耦合等离子体中的受迫振荡研究

实验研究了匹配状态、放电气压对氩气射频感性耦合等离子体中受迫振荡的影响.结果表明:受迫振荡总是出现在放电的正反馈区;在高气压下(>30Pa)受迫振荡的频率较低.对于使用射频感性耦合等离子体进行薄膜沉积的参数选择给予了理论指导.     

脉冲感应式电推进中平面型线圈激励等离子体的流动特征分析

感应等离子体推力器是一种具有较好应用前景的空间推进方式,受到复杂瞬态电磁场的影响,流场中热力学和动力学参数的时变特性难以实验测量。采用单流体磁流体力学理论,结合高温气体的热力学和输运模型,数值计算初始静止且无预电离的情况下,等离子体参数的二维分布,着重分析等离子体在前半周期内的流动特征。对内径ri为0.05m,外径ro为0.15m的线圈计算表明,其等离子体-线圈耦合距离约为0.032m,以Ar为工质情况下,有效冲量产生时,高价离子(Ar3+,Ar4+)与低价离子(Ar+,Ar2+)由于受电磁力影响不同,产生了局部分离电场,推动了电流片运动,且在电流片内部,前缘主要为低价离子,后缘主要为高价离子。单脉冲能量210.7J、峰值径向磁感应强度为0.5T、有效作用时间约12μs条件下,5μs时刻的Ar2+,Ar3+的最大数密度大于6×1021m-3,且大于Ar+,Ar4+的数密度。电流片运动大于耦合距离后,受径向运动以及激励电流反转的影响,线圈表面等离子体磁场非线性特征显著,而前缘磁场维持规则分布。对外径为0.15m,0.3m和0.5m的线圈计算发现,ro为0.5m时,电流片径向均匀长度达到0.3m,表明较大线圈尺寸除增加耦合距离外,可提高径向电流密度的均匀性。     

螺旋波等离子体推进研究进展

螺旋波等离子体推力器是一种新概念磁等离子体推进装置,以其电离率高、无电极烧蚀、寿命长、比冲高等优点受到国内外学者的广泛关注,该新型推力器在未来长寿命深空探测器和卫星的动力系统中具有广阔的应用前景。概述了螺旋波等离子体推力器的系统组成和工作原理、重点介绍了该推力器的研究进展、现状和关键技术,总结了国外在研的四种典型的推力器结构类型,并根据实际情况,提出了国内螺旋波技术在电推进领域的研究方向和发展思路。