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%。     

高稳定性电弧等离子体超声速喷管流动装置

笔者在已研制的壁稳电弧等离子体发生器基础上,改进了阳极结构、加置Laval喷管,建立了一套可长期连续运行的高稳定性电弧等离子体超声速喷管流动装置,超声速电弧射流的不稳定度为1％(纯氩)和3％(氮氩),电弧射流具有很好的稳定性、再现性和对称性。测量表明：超声速电弧射流的电子温度沿流动方向呈现出波浪形周期升降的变化规律。     

自身场磁等离子体推力器数值仿真流场特性分析

磁等离子体推力器以其推力大、比冲高等特点,成为未来深空探测、星际航行任务首选的电推力器类型,研究推力器内部等离子体流场特性,有利于解释推力器出现的物理现象。针对特定自身场磁等离子体推力器,建立磁流体模型,使用TVD Lax-Friedrich格式以及ADI方法对推力器内部及羽流进行数值求解,得到等离子体流场及等离子体参数分布情况,仿真结果显示在高电流工况下,等离子体羽流更加集中,轴向加速效果更加显著,但高电流模式下阴极温度较高,不利于阴极的使用寿命。     

微阴极电弧推力器羽流探针诊断研究

微阴极电弧推力器（micro-cathode arc thruster,μCAT）具备功率低和结构简单的特点,能够满足微纳卫星的任务需求,具有良好的发展前景。μCAT羽流的诊断可以揭示推力器的加速机理,对提高其性能具有重要意义。利用朗缪尔三探针对μCAT羽流进行诊断,得到了μCAT羽流不同位置的电子温度、电子密度和离子速度等羽流特性,研究了外加磁场、充电时间和阴极材料对羽流特性的影响。研究结果表明,μCAT放电初期产生的等离子体电子温度较高,密度较大;随着等离子体向下游运动,电子温度和电子密度降低,离子速度增大;外加磁场的磁感应强度越强,电子温度和离子速度越高,电子密度有所降低;磁场位置适当向推力器下游平移,能够有效提高推力器中轴线的电子密度;μCAT充电时间越长,电子温度、电子密度和离子速度越大;相比于CuW和AgW阴极,Ti阴极羽流的电子温度更高,电子密度更低。     

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。     

地面实验室模拟空间等离子体环境的初步测试

在地面模拟电离层等离子体与高压太阳电池阵的相互作用时,需要一定密度和能量的等离子体环境,因而希望能在地面试验室中利用微波ERC等离子体源来近似模拟空间等离子体环境。文章对该等离子体源进行了初步测试,利用等离子体诊断系统获得了在大真空容器中的等离子体有关参数的测量数据,通过分析,我们得到了一个比较均匀的等离子体环境。     

0.1 kW微波等离子体推力器的试验与数值研究

主要对0.1 kW微波等离子体推力器进行了地面试验和数值模拟研究。试验研究分析了影响推力器效率的因素;数值研究通过采用SIMPLE方法求解了N-S方程和采用FDTD方法求解了M axwell方程,分析了影响谐振腔内等离子体参数的因素。结果表明,微波功率、工质种类和质量流率是影响谐振腔效率的主要因素,而等离子体参数则主要受微波功率的影响。     

国外微波等离子推进器研究的新进展

回顾了国外微波等离子推进器（ＭＰＴ）的发展历史，简单介绍其基本工作原理与主要部件的设计、选材，论述理论与实验研究的新进展，给出推力、比冲与实验参数的范围。通过与电弧及电阻加热推进器的比较，得出结论：微波等离子推进器具有寿命长、效率和比冲高的优点，可用于地球同步通讯卫星的南北位置保持等。