Understanding Substorms in the Magnetotail: Early Development and Recent Progress

This is a concise review of physics of the substorm in the magnetotail. It consists of two parts. The first part summarizes historical developments in the early days of the space age (1960--1975) when the basic concepts such as magnetotail and reconnection were established and the leading model of the substorm was introduced. The second part is an overview of the research conducted in recent years (1995--2010) when very significant advances have been achieved in understanding the substorm physics by virtue of several major satellites missions that addressed the magnetotail physics intensively.      

低轨道航天器高电压太阳电池阵电流泄漏效应分析计算

在一种简化的太阳电池阵结构模型基础上, 利用太阳电池阵电流收集经验模式,基于电流平衡, 建立了一种计算低轨道航天器高电压太阳电池阵在等离子体环境中电流泄漏的方法. 利用该方法, 对高电压太阳电池阵电流泄漏效应与低轨道等离子体环境、电池阵电压、电池阵裸露金属面积的关系进行了分析计算.结果表明, 随着轨道高度增加, 电流泄漏引起的电池阵功率损失迅速下降, 影响最严重的区域为电离层等离子体密度最高的300～400 km高度的轨道区域; 电流泄漏引起的功率损失与太阳电池阵电压呈指数关系, 电压越高功率损失越大; 200 V以下的电池阵功率损耗较小, 远低于电源系统总功率的1%;电流泄漏与太阳电池阵裸露金属导体的表面积呈正比关系, 因此, 通过减少太阳电池阵裸露面积, 可以降低电流泄漏的影响.      

Occurrence of equatorial plasma bubbles over Kolhapur

This paper reports the nightglow observations of OI 630.0 nm emissions, made by using all sky imager operating at low latitude station Kolhapur (16.8°N, 74.2°E and dip lat. 10.6°N) during high sunspot number years of 24th solar cycle. The images are analyzed to study the nocturnal, seasonal and solar activity dependence occurrence of plasma bubbles. We observed EPBs in images regularly during a limited period 19:30 to 02:30 LT and reach maximum probability of occurrence at 22:30 LT. The observation pattern of EPBs shows nearly no occurrence during the month of May and it maximizes during the period October–April. The equinox and solstice seasonal variations in the occurrence of plasma bubbles show nearly equal and large differences, respectively, between years of 2010–11 and 2011–12.     

等离子鞘套热力学波动对电磁波传播的影响

针对等离子鞘套热力学波动造成电磁波传播特性变化的问题,结合湍流理论、等离子理论和电磁波传播理论,得到了热力学参数波动与介电常数间的关系。计算了不同状态下热力学参数波动引起S和Ka波段电磁波透射和反射系数的变化。结果表明,当电子密度增大,S波段反射系数变化减小、透射系数变化增大;当Ka波段在碰撞频率10MHz时,反射系数变化增大、透射系数变化减小,在碰撞频率1GHz和50GHz时透射系数变化反射系数变化先增后减。不同高度下波动的影响也不同,S波段透射和反射系数变化随高度升高先减后增;Ka波段透射系数变化先减后增、反射系数变化先减后增而后再次减小。因此,应根据实际环境状态获得波动的包络范围,进而针对性开展测控通信系统设计。     

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等离子体射流电子密度符合局部热力学平衡判据（LTE判据）,点火能量集中。N₂等离子体整体温度低于Ar,但阳极喷口附近温度高于Ar,N₂等离子体射流火焰长,卷吸沿程空气造成射流平均温度偏低,但有助于低温液体推进剂的蒸发混合和强化点火。等离子体射流引起了臭氧和氮氧化物的形成,具有促进点火和化学反应的作用。背压提高引起电源输出电压升高,提高供气压力和电流,有助于点火器在高背压环境中稳定电压。燃烧型空气加热器燃烧室的点火实验发现,采用N₂等离子体喷注面中心点火,可以在短时间内完成酒精-空气和酒精-液氧-空气的点火,最高燃烧室室压接近5MPa时,点火器仍能稳定工作,多次使用电极烧蚀不明显,在液体火箭发动机的重复可靠点火方面具有很好的应用前景。     

燃烧室头部激励的等离子体强化燃烧特性实验研究

等离子体助燃是一种新型的强化燃烧技术,近年来受到国内外学者的广泛关注。本文开创性地研制了基于旋转滑动弧等离子体的强化燃烧头部,建立了某型航空发动机三头部燃烧室实验件的等离子体助燃实验平台,验证了该等离子体强化燃烧技术应用于型号发动机燃烧室的可行性。实验研究等离子体助燃在不同余气系数和不同输入电压条件下对平均出口温度、燃烧效率、温度分布系数以及熄火边界的影响。实验结果表明,与正常燃烧相比,施加等离子体助燃后的燃烧效率有明显的提高,在输入电压为U0=240V,余气系数为 α=0.8时,等离子体助燃的燃烧效率提高3.24%。实施等离子体助燃后,燃烧室出口温度分布场分布得到明显的改善,在富油工况α=0.8,出口温度分布系数减少39.8%。等离子体助燃输入电压越高熄火边界扩展程度越明显,相比于正常工况条件下,等离子体助燃U0=240V的熄火边界扩宽了7.34%。     

铜基等离子体喷涂钨涂层性能

阐述了钨涂层微观结构影响机理以及涂层性能。通过等离子体喷涂工艺参数及微观形貌分析涂层微观结构和参数对涂层性能的影响,工艺参数主要包括喷涂功率、喷涂距离、送粉气量等。结果显示钨涂层是由钨粒子熔融沉积平铺成"圆饼状"或"花瓣状"的单层叠加而成,单层呈现柱状晶微观结构,厚度约10μm、直径约50μm的"圆饼状"单层是状态比较好的涂层结构。钨粒子熔化状态、沉积速率以及喷涂环境决定了熔化粒子的沉积形貌;与大气喷涂相比,真空喷涂钨涂层气孔率低、传热性能和结合性能较好,适合作为面对等离子体材料的制备技术。     

阵列式表面电弧等离子体气动激励控制三角翼流动分离的实验

为探索多路阵列式微秒脉冲表面电弧放电(μs-SAD,Microsecond pulse surface arc discharge)对尖前缘小后掠三角翼流动分离的控制效果和作用机理,首先通过放电测试和纹影测试对多路阵列式μs-SAD的激励特性进行研究,揭示其对流场的作用原理,进一步将多路阵列式μs-SAD用于三角翼流动控制,开展了小后掠三角翼流动分离控制低速风洞实验,研究了来流速度、激励电压和激励频率等参数对控制效果的影响规律。结果表明:多路阵列式μs-SAD能够快速放热,单路瞬间放电能量可达68mJ,在流场局部可诱导产生冲击波;机翼前缘多路阵列式μs-SAD能有效改善三角翼大迎角气动特性,当来流速度为30m/s时,使最大升力系数提高27.2%,失速迎角推迟4°;来流速度增大到40m/s时,流动控制效果减弱,使最大升力系数提高15.5%;存在最佳激励频率使无量纲频率F+=1时,控制效果最好;激励电压存在阈值,其随来流速度的增加而增大,当激励电压超过阈值电压继续增大时,流动控制效果不再增强。     

惯性静电约束推力器放电过程数值模拟研究

为了研究惯性静电约束推力器(Inertial Electrostatic Confinement Thruster,IECT)的放电原理和工作机制,采用漂移-扩散流体模拟方法,基于圆柱形惯性静电约束推力器的结构,研究不同栅网线直径、栅网个数、推力器尺寸条件下等离子体放电情况和阴极电压、背景气压对推力器放电的影响。结果表明:在所研究条件下,保证阴极必要的几何透过率的同时,适当增加推力器栅网个数可以提高喷射离子密度,减小羽流发散角;随着阴极电压和背景气压的增大,推力器喷射的等离子体密度增大。但是,压强继续增大会达到临界值,等离子体被约束在推力器内部无法喷出,即喷射模式无法运行,故阴极电压与背景气压对IECT均有较大影响。     

射频介质阻挡放电改善NACA 0015翼型气动性能的实验

介质阻挡放电(DBD)均匀稳定、易于敷设,是机翼/翼型等离子体流动控制(PFC)中最常用的激励方式。射频介质阻挡放电激励频率高、放电功率大,且能在流场中产生明显的加热,应用潜力大。采用射频电源驱动DBD激励器产生等离子体,分析放电的体积力、热特性和诱导流场特性,开展了射频介质阻挡放电改善NACA 0015翼型气动性能的实验,研究了占空比、调制频率、载波频率和电源功率等参数对流动控制效果的影响规律。结果表明:射频等离子体激励的体积力效应随激励电压的增大而增加;射频等离子体激励产生的热量在诱导的流场中进行传导,加速流场;当来流速度为20m/s,Re=3.36×10~5时,在翼型前缘施加激励,使翼型临界失速迎角推迟1°,最大升力系数增大6.43%,且在过失速迎角下仍具有流动控制效果,使升力下降变缓;调制频率越大,控制效果越好;存在最佳占空比、载波频率和功率,占空比对流场控制效果的影响最显著,最佳占空比、载波频率和功率分别为20%,460kHz和50W。射频等离子体激励以体积力效应、热效应和诱导壁面射流改善失速流场,使得NACA0015翼型气动性能极大改善,流动分离得到有效控制。