Magnetospheric physics in China: 2008—2010

In the past two years, most of the works on magnetospheric physics were made by using the data of Double Star Program and Cluster missions. However some works were still conducted by computer simulation or using the data from other space missions and ground geomagnetic observations. This paper briefly review these previous works based on papers selected from the 28 publications from April 2008 to April 2010. The subjects covered various sub-branches of magnetospheric physics, including geomagnetic storm, magnetospheric substorm and etc.     

等离子体湍流摩擦减阻研究进展与展望

飞机摩擦阻力可占巡航总阻力的一半以上,减小飞机湍流条件下的摩擦阻力对于提升飞机巡航性能、降低燃油消耗具有重要意义。等离子体激励是等离子体在电磁场力作用下运动或气体放电产生的压力、温度、物性变化等对气流施加的一种可控扰动。采用等离子体激励减小飞机湍流摩擦阻力具有结构重量代价小、易于智能控制等诸多优势,受到国内外广泛关注。鉴于此,按照等离子体激励特性及其与湍流边界层的相互关系,将等离子体湍流减阻方法分为非定常激励、定常激励等类型,并梳理了其研究历程与进展。在平板湍流边界层中,等离子体激励能够诱导大尺度流向涡,产生输运作用,使摩擦阻力减小40%以上;在巡航迎角工况下的翼型上,激励同样能在20 m/s的来流速度下使翼型总阻力减小13.7%。发展新型高效能、高强度等离子体激励方法,实现高雷诺数、强逆压梯度气流环境下的湍流减阻,融入机器学习,推动开环控制向智能自适应发展,是等离子体湍流减阻技术未来的发展方向。     

双电弧室轴线式电弧等离子体炬热特性试验研究

在航天领域,电弧等离子体技术是进行高温气体动力学试验的重要技术。文章对自稳弧型双电弧室轴线式电弧等离子体炬在不同参数条件下的总体热特性进行地面试验研究,并从电弧、气流和电极间热量传递的角度对热特性变化规律进行分析。结果表明：输入功率在104～300 kW变化时,热效率在49.1%～70.8%范围内与功率呈正相关性变化,射流的比焓和平均温度在输入功率为152 kW时达到最大值,分别为10.29 MJ/kg和5006 K。特定功率条件下,较小的电弧电流和较高的负载电压匹配能够获得较高的热效率,但射流的比焓和平均温度会降低。气体流量不变时,随着电弧电流的增大,热效率单调降低,而射流的比焓和平均温度依然提高。     

原子谱线参数的辨识方法

在一种原子谱线参数测量的辨识方法基础上编制了一套原子港线参数辨识的标准软件。用此软件对纯氩和氩、氮混合非平衡电弧等离子体射流的原子谱线进行了处理,获得了射流的电子温度、气体平动温度、电子和原子数密度。状态诊断表明;实验条件下的等离子体射流除中心点为ＬＴＥ外非平衡效应是非常显著的。     

ICP中放电模式转化过程中悬浮电位变化的多样性

研究了射频感性耦和等离子体(ICP)中悬浮电位在模式转化过程(E-H模式)的变化多样性。实验研究了射频功率在5W-1000W,气压在2Pa-50Pa的范围内,通过改变导电地面积、匹配网络、气压等参数,使用Z-Scan系统、电流电压探头以及静电探针进行测量的等离子体悬浮电位在模式转化过程中随功率变化的多种形式,同时给出了r型射频匹配网络的正负反馈区的区别,并对产生的多种现象进行了的理论解释。     

面向立方星变轨任务的机动控制策略

为了实现立方星在轨飞行与变轨,基于模块化推进器系统提出混合控制策略实现微小卫星轨道持续变化任务需求。首先,针对多单元立方星单一主推进器的结构部署,基于高斯变分方程采用连续低推进力实现轨道机动变化。为了实现对立方星主推进器的指向调整,基于姿态动力学模型利用PD连续姿态控制求得所需扭矩,实现对立方星的指向角和指向角速度调节。针对配置的微脉冲等离子推进器(μ-PPT)不连续的特点,通过搜寻μ PPT最优脉冲序列组合获得实际扭矩,满足对外部干扰的持续补偿以及立方星的姿态稳定和指向调整操作需求。此外,引入姿态误差敏感度阈值,使姿态控制器在能够提高系统鲁棒性的同时减少μ-PPT消耗。最后,通过对3U立方星在轨飞行与变轨的具体案例分析,表明所提出的基于微推进器系统的混合控制策略能够实现立方星轨道机动变化需求。     

空间推进技术专刊——毛细管放电型脉冲等离子体推力器输出特性分析

为了研究毛细管放电型脉冲等离子体推力器输出特性,本文借助电学诊断手段展开实验研究,获得了推力器典型放电波形,系统研究了不同毛细管内径和施加电压对等离子体等效阻抗,沉积能量效率的影响规律。利用微冲量测量台架,测试了不同参数下毛细管推力器输出元冲量,并通过计算获得了推力器比冲、总体效率的变化规律。实验结果表明,当毛细管内径不断增大时,能量沉积效率不断下降,元冲量下降,比冲降低。主电容电压增大时,放电能量不断增大,能量沉积效率降低,元冲量和单次等效烧蚀质量不断增大,但推力器比冲和总体效率均先增加并趋于稳定。当毛细管腔体长度为16 mm,内径3 mm,主电容2.5 μF,充电电压为2 kV时,输出元冲量350.79±7.50 μN s,比冲531 s,总体效率可达18.3%。     

等离子体气动激励的加速特性研究

进行了静止空气条件下等离子体气动激励加速特性的实验研究与讨论,使用皮托管和粒子图像测速仪分别对诱导气流速度进行了测量与结果分析.实验结果表明:激励参数(激励电压、频率和电极组数目)的改变,对等离子体气动激励的加速特性有不同程度的影响.进行了等离子体气动激励诱导气流加速机理的讨论,证实了等离子体气动激励作为飞行器和动力装置的主动流动控制具有广阔的研究与应用前景.     

PPT小卫星轨道转移任务分析

针对CAST968小卫星平台,结合HY-1卫星,分析了该卫星轨道转移任务的应用需求;对比HY-1卫星采用的单组元肼推力器,指出了脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thruster,PPT）的应用特点;根据该卫星平台的外形和结构参数,对星上轨道转移PPT的数量和工作方式进行了初步设计;基于PPT的研究现状和推进能力,对PPT的轨道转移方案进行了论证分析,计算了相关的轨道转移参数。研究表明,PPT可以适用于微小卫星小能量轨道转移任务,与传统的化学轨道转移推进系统相比,优势较明显。     

等离子体增强含硼燃气二次燃烧实验分析

为研究等离子体助燃条件下含硼燃气在补燃室的二次燃烧特性,建立了排除来流空气掺混效应的扩散燃烧实验模型。利用高速摄影仪拍摄了含硼燃气在补燃室的火焰照片,得到了有无等离子体条件下的燃烧火焰形貌;测量了补燃室不同截面的静压和总压,分析了有无等离子体条件下含硼推进剂在固冲发动机中的燃烧效率。实验结果表明：在含硼燃气二次燃烧过程中加入等离子体炬,等离子体炬后方区域火焰更加明亮,硼燃烧更加充分;断开等离子体炬后,补燃室静压和总压出现压力突降台阶,说明加入等离子体后可以加快化学反应速率,提高含硼燃气在固冲发动机中的燃烧效率,从而提高了补燃室的压强;且放电功率越高,含硼燃气在固冲发动机中燃烧效率的增长率越高。