离子液体微推进技术研究进展

介绍了离子液体推进器的基本结构和工作原理,阐述了粒子发射的限制条件及通常采用的工作模式,总结了该推进器的常见分类形式。介绍了当前广泛应用的一些实验方法和仿真手段,以及针对发射阈值场强、束流散射、多粒子分散效率、推进器长时间工作稳定性等问题开展相关研究取得的进展,对比分析了适合粒子发射的工作环境及相对精确的仿真方法,为推进器的后续设计、工作模式设定及性能评估等工作提供了参考。结果表明：增大推进剂流阻、提高发射极阵列密度是提高离子液体推进器效率和推力的合适手段;利用闭环控制的方法改变发射电压极性、逐渐提高发射电压大小是维持推进器推力大小、提高工作稳定性的有效方法。     

离子推力器多模式化研究

为了实现离子推力器多模式化,分析了离子推力器功率宽范围调节限制因素,提出了两种宽范围调节策略;针对我国小行星探测任务,完成了30cm多模式离子推力器研制、功率宽范围调节限制条件确定、以及两种调节策略下多模式工作点设计及对比研究。结果显示,通过降低放电室磁场强度可延伸离子推力器最小稳定工作功率,提高束流均匀性,实现离子推力器更宽功率范围多工作点设计;功率宽范围调节主要是屏栅电压和束电流的宽范围调节,二者通过栅极导流系数限制和交叉限制而约束;推力随功率增加呈线性增加关系,比冲随功率的增加总体上呈先快速增加后趋于稳定的趋势;30cm多模式离子推力器在0.25kW～5kW内稳定工作,推力10mN～186mN,比冲1522s～3586s。     

超燃冲压发动机燃烧室的准一维计算与分析

在考虑有限速率化学反应的准一维Euler方程基础上，通过增加截面面积变化、壁面摩擦和添质的源项，发展了适用于超燃燃烧室性能分析的准一维计算方法。依次以中国空气动力研究与发展中心（CARDC）和日本国家航空与航天实验室（NAL）的氢燃料燃烧室模型作为验证算例，分别采用传统的一步反应模型和发展的有限速率反应模型，模拟了燃烧室流场，并基于NAL燃烧室，计算分析了不同当量比和进口压强对燃烧室流动特性的影响。结果表明：两种方法都能得到与实验数据吻合良好的结果；和一步反应模型相比，有限速率反应模型不仅可以更细致地捕捉流场细节，而且能够初步分析化学非平衡效应的影响；对于NAL燃烧室，当量比≥0.6时，压强随当量比的升高而增大，当达到1.0时，反压已推进隔离段，且推进速度随当量比增大而增加；进口压强不大于110.444kPa时，反压随进口压强增大而升高，且当反压不小于82.833kPa时，反压被隔离在等直段燃烧室入口处；过小的当量比和过大的进口压强均会导致燃烧室出口马赫数严重下降，甚至出现亚声速出流状态。     

配电方式对Kaufman离子推力器性能的影响研究

目前Kaufman离子推力器主要有两种最具代表性的配电方式:屏栅极电源正端分别连接阳极电源正、负端的配电方式。为了研究配电方式对Kaufman离子推力器工作性能的影响,基于等离子体理论和推力器工作原理,分析两种主要配电方式下放电室电极电势及电流平衡关系,推导了放电室等离子体特性表达式,理论分析了配电方式对离子推力器多种性能参数的影响。结合兰州空间技术物理研究所自研的LIPS300离子推力器在两种配电方式下工作在3kW和5kW的性能试验,通过解析方法对离子推力器多种工作参数和性能参数进行分析,试验结果与理论分析结果具有良好的一致性。研究表明:采用屏栅极电源正端连接阳极电源负端的配电方式能够获得更大的推力和比冲,并能提高离子对栅极透明度,减少离子对屏栅极的溅射,从而提高栅极寿命,但束离子产生成本稍高。研究结果可为离子推力器配电方式的设计与优化提供依据。     

(100)/(111)面金刚石膜抗氧等离子刻蚀能力

使用微波等离子体技术(microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)对膜厚100μm的(100)和(111)晶面金刚石膜进行刻蚀处理,研究其抗氧等离子体的行为。结果表明:(100)晶面刻蚀首先发生在晶棱晶界处,而(111)晶面金刚石的刻蚀首先发生在晶面处;30 min刻蚀后,(100)面金刚石有明显晶面显现,(111)面金刚石膜晶面不明显;60 min刻蚀后,(100)和(111)晶面金刚石膜的择优取向消失;(100)晶面金刚石特征峰的半高宽值(full width at the half maximum,FWHM)由刻蚀前的8.51 cm^–1上升至刻蚀后的12.48 cm^–1,(111)晶面金刚石FWHM值由8.74 cm^–1上升至148.49 cm^–1;(100)晶面金刚石膜刻蚀速率在40 min时为0.35μm/min,60 min时上升至1.34μm/min;刻蚀前期,(100)晶面金刚石膜具有更好的抗氧等离子体刻蚀能力,刻蚀后期其抗刻蚀能力与(111)晶面金刚石膜相似。     

异辛烷预混层流火焰结构的数值研究

为解决化石燃料燃烧带来的问题,需要对燃料的基础燃烧特性进行深入研究。为此通过数值计算研究了初始压强50~101k Pa,初始温度298~353K,当量比0.6~1.5异辛烷的预混层流火焰结构特性,分析了初始压强、初始温度、当量比对火焰厚度、反应区厚度、厚度比的影响。数值计算结果表明:火焰厚度、反应区厚度、厚度比会随着初始压强和初始温度的升高而减小,随当量比的增加先减小后增大;火焰厚度、反应区厚度、厚度比分别在当量比1.1,0.9,1.3时获得最小值;层流燃烧速度与H+OH的最大浓度有密切关系,都随初始温度的增加而增加,随初始压强的增加而减小。通过敏感性分析,发现H主要通过R3,R24,R97,R162,R163,R179生成,通过R1,R12,R14消耗;OH主要通过R1与R14生成,通过R3,R12,R16,R29,R95,R97消耗。     

基于点击反应改善叠氮推进剂/丁羟衬层界面粘接性能的研究

针对极性差异较大的叠氮推进剂和丁羟衬层界面粘接体系,采用红外光谱及二维相关光谱分析、凝胶含量、粘接性能测试等方法研究了三种炔基化合物的引入对其界面粘接性能的改善效果。结果表明,在丁羟衬层中引入三种不同分子结构的炔基化合物AC-1,AC-2和AC-3均可提高叠氮推进剂/丁羟衬层的界面粘接强度,当AC-1,AC-2和AC-3的炔基参数RA分别为0.097~0.127、0.051和0.097~0.141时,叠氮推进剂/丁羟衬层界面粘接的剥离强度可分别提高约80%,40%和70%。     

固体推进剂二维绝热微尺度燃烧模型的数值研究

为实现固体微推力器工作过程的一体化模拟,基于Fluent计算软件的二次开发功能(UDF)和简化化学动力学模型,实现了固体推进剂的二维气-凝相绝热微尺度燃烧模型的建立,该模型针对固体微推力器所用双基推进剂,包含两步凝相反应和五步气相反应,燃速、推进剂表面温度和组分质量分数基于燃面物理特性计算得到,并考虑了粘性作用对气相和凝相反应的影响。针对0.5MPa,1.0MPa,2.0MPa和5.1MPa四种工况进行了计算,结果表明,高压工作环境下出现发光火焰区,且随表面压力增大而逐渐靠近壁面,凝相反应区厚度和嘶嘶区、暗区主要反应物在燃面的质量分数随推进剂表面压力增大而减小。对称面处推进剂燃速,推进剂表面温度和气相火焰结构与实验结果基本一致。由于壁面附近较高的粘性作用,气相火焰在壁面位置更加靠近推进剂燃面,并导致壁面位置推进剂燃速高于对称面位置。该模型实现了二维环境下考虑分步凝相反应的推进剂绝热燃烧模型的一体化计算,较好地拓展了原模型的应用范围。     

先进铝化物涂层制备技术进展

铝化物涂层是现役发动机热端部件高温氧化防护的主要手段。未来,高性能铝化物涂层仍是发展先进发动机所必需的技术。传统基于化学气相的制备方法不仅污染环境,腐蚀设备,效率低下,更重要的是难以有效制备高性能铝化物涂层。高效"绿色"化将是先进铝化物涂层制备技术的发展趋势。近年通过利用机械能辅助的策略获得了高效制备铝化物涂层的方法。另外,利用真空物理气相沉积加高温扩散的策略,"绿色"制备高性能铝化物涂层的研究也进展显著。结合上述两种策略,利用真空等离子辐照形成的离子撞击能,可高效、"绿色"地制备铝化物涂层,为高性能铝化物涂层的制备提供了一种新的有效途径。     

微阴极电弧推力器的设计与试验

微阴极电弧推力器具有体积小、重量轻、功耗低、比冲高等优点,是微纳卫星空间推进的理想选择。为了研究其关键特性以及基本性能,设计了一套环形微阴极电弧推力器样机,包括推力器本体和功率处理单元。高速摄影对推力器点火的观测验证了磁场存在时阴极斑点的旋转,并获得了阴极斑点旋转速度与磁场强度的关系。通过飞行时间法、打靶法分别对离子速度、元冲量进行了测量,测量结果表明:推力器出口离子的轴向平均速度在15~30km/s,没有磁场时,元冲量为0.132μN·s,磁场强度为0.0457T时,达到0.262μN·s,推力器平均推力大小在μN量级。通过研究得到:微阴极电弧推力器烧蚀均匀,性能易于调节,适用于微纳卫星。