微波等离子推力器等离子体形成及其与微波耦合机理分析

微波等离子推力器 (MPT)的最大优点是微波在谐振腔内放电使工质形成悬浮的等离子体 ,没有电极的烧蚀与寿命问题。文中计算了MPT谐振腔内氦气工质击穿场强与腔内气压的关系 ,结合实验现象及参数调节分析了微波等离子推力器等离子体形成的基本物理过程及影响等离子体稳定的因素、等离子体与微波耦合的机理等 ,为建立微波、等离子体、流场间的耦合计算模型奠定了基础。

小型微波等离子推力器研究

介绍约100W功率微波等离子推力器的系统结构,谐振模式,电磁场分布,电磁场、等离子体和流场的耦合,喷管中的等离子体复合流动,真空羽流,原理实验样机性能及应用前景。

微波等离子推力器真空实验研究

微波等离子推力器(MPT)具有寿命长、效率高和比冲高的特点,具有广泛的应用前景。通过对MPT真空实验系统,以及中(～1kW)、低(～100W)功率MPT结构的介绍,重点论述了MPT在真空环境下的启动和稳定工作特性,并对实验结果进行了分析和讨论,给出了MPT初步性能参数。实验结果表明,在30W～1kW功率范围内,MPT真空环境下启动可靠,工作稳定;氦气(He)的比冲远高于氩气(Ar)的比冲。

微波等离子推力器真空羽流模拟计算

粒子节点 直接模拟蒙特卡罗法 (DSMC)是求解稀薄气体流动的数值模拟方法 ,采用轴对称硬球模型、随机取样频率法对微波等离子推力器 (MPT)的真空羽流进行了数值模拟计算 ,为了提高计算效率和节省计算机内存 ,采用了随机取样频率法(RSF)和加权技术。对MPT真空羽流的浓度、速度和温度分布进行了计算 ,并对羽流污染进行了分析。计算结果对以后MPT真空羽流场测试和航天器一体化设计提供了参考。

100W微波等离子推力器固态源研制

为了实现微波等离子推力器的小型化,利用固态器件、衰减器和检波器一体化设计技术及液体冷却技术,研制出小型化的微波等离子推力器固态源,其输出和反射微波功率可由固态源输入电压和检波器的输出电压进行控制与检测,固态源的质量与体积分别是磁控管微波源的15%和6%。对采用固态源的推力器分别进行了地面和真空实验,结果表明固态源能稳定可靠地工作。

100W微波等离子推力器的调试与地面实验

微波等离子推力器(MPT)谐振腔只有在谐振状态下,微波能量才能被高效地用于加热工质产生推力。采用微波无源器件回波损耗的测试方法对100WMPT谐振进行精确地调谐,分析微波能量的吸收效率及谐振频率带宽,研究腔体尺寸、微波耦合探针位置在同一谐振频率条件下的匹配性。在地面条件下,对100WMPT系统进行了实验,利用推力器腔体内的高电场强度可直接使系统推力器腔体中工质电离,其最高能量吸收效率可达98.3%。

谐振腔隔板对微波等离子推力器特性的影响

为了探索微波等离子推力器谐振腔内电介质隔板对腔内电磁场及谐振频率的影响规律 ,用时域有限差分法 (FDTD)和离散Fourier变换 (DFT)法 ,对内有隔板、谐振模式为TM0 11模的谐振腔电磁场及谐振频率进行了数值分析。计算结果表明 ,隔板的存在不但使腔内轴向电场强度减小 ,而且使腔的谐振频率向低频方向偏移。隔板厚度愈厚 ,引起的轴向电场强度的减小和频偏愈大。这些结论为谐振腔隔板的设计、选材 。

水工质微波等离子推力器喷管流场及推力性能研究

采用Delaunay方法生成三角形单元的非结构网格离散计算区域,利用格心有限体积法对水工质微波等离子推力器喷管流场和推力性能进行了数值模拟。揭示了水工质微波等离子推力器喷管的流动规律。研究结果表明:在喷管入口压强为0.35 MPa时,增加工质气体的总温,可以提高推力器的比冲,同时推力的变化很小。在收敛角和扩张角不变的情况下减小喷管喉径,能够略微提高推力器的比冲。而推力器腔体内压强变化很大。保持喷管喉径和出口直径不变,在喷管扩张半角从10°增大到40°的过程中,推力器的比冲和推力先增大后减小;扩张半角为17°时,推力器性能最佳。

微波等离子推力器喷管流动数值模拟

为了准确把握微波等离子推力器喷管流动的机理与特点,采用冻结流和非平衡流两种模型对其进行了对比数值模拟分析。非平衡流模型考虑了流动过程中的分解反应、电离反应和复合反应,化学动力学模型为4组分、4反应的有限速率化学反应模型,采用二阶精度NND格式数值求解耦合化学反应源项的N S方程组。数值模拟的结果揭示了喷管内的流场结构,反映了喷管内的离解电离状况,得到了推力器的推力和比冲。分析表明,数值方法有效,计算结果合理,具有工程应用价值,能为相关研究提供参考。

圆柱谐振腔微波等离子推力器的理论计算

采用耦合求解Maxwell方程、Navier Stokes方程和Saha方程的方法,完成了圆柱谐振腔微波等离子推力器(MPT)的理论计算研究。研究结果表明,MPT稳态高效工作的前提是耦合进入谐振腔内的微波功率与工质气体流量(或腔内压强)应合理匹配,并通过1kWMPT的地面与真空实验,初步验证了理论研究结果。理论与实验研究表明,圆柱形MPT原理可行,研制出的样机实验系统启动可靠、工作稳定。

微波等离子推力器圆柱谐振腔等离子体流的数值研究

为了获得微波等离子推力器(MPT)圆柱形谐振腔小型化的设计参数,采用时域有限差分法(FDTD)求解Maxwell方程、有限体积法求解N-S方程、单温度局域热平衡模型求解等离子体数密度、温度等参数的全数值方法,对MPT圆柱形谐振腔在不同微波频率、相同谐振模式情况下的微波等离子体耦合流场进行了数值模拟计算。计算结果表明,提高微波频率可缩小圆柱形谐振腔尺寸。圆柱形谐振腔小型化后,在腔内压强一定的情况下,相应地工质气体的流量减小、消耗的微波功率减小,喷管喉径也减小、从而MPT的推力也减小,且不同微波频率、相同谐振模式情况下,腔内等离子体区温度、压强、电子数密度的变化规律相同。这些结论为今后MPT的小型化设计提供了理论依据。

基于微波等离子推力器的地球同步轨道卫星任务优化计算

将微波等离子推力器 (MPT)应用于“东方红三号”(DFH 3)卫星的推进子系统 ,完成其轨道转移和南 北位置保持任务。建立了卫星任务和系统优化计算模型 ,采用遗传算法对卫星轨道转移和位置保持任务进行优化模拟计算。讨论了推力弧段和推力等对卫星变轨时间、MPT累积工作时间、卫星干质量和有效载荷的影响。结果表明 ,采用MPT可大大减少推进剂工质消耗 ,增加有效载荷 ;变轨时间明显大于化学推进 ,但小于相同电功率的其他电推进。

同轴形微波等离子推力器数值计算

介绍了100W功率同轴形微波等离子推力器(MPT)的系统结构、谐振模式,采用耦合求解Maxwell方程、Saha方程和Navier-Stokes方程的方法,对100W同轴形MPT振腔内的电磁场、等离子体与流场间的耦合问题进行了数值计算并预估了原理实验样机的性能。计算结果表明,100W同轴形MPT结构系统的原理可行,性能较好,有较好的发展前景。

微波等离子推力器真空中工作的电微波系统及其实验

为了解决微波等离子推力器全系统在真空中进行实验的关键问题 ,减少实验中不必要的能量损失 ,研制出可在大气与真空环境中工作的微波等离子推力器电微波系统 .该系统利用了开关电源、衰减器和检波器一体化设计技术、液体冷却技术 ,解决了微波电子器件在真空中的放电问题 .实验表明 :系统输出的微波功率稳定 。

微波等离子体推力器流动模拟(英文)

采用N-S方程求解了100 W微波等离子体推力器(MPT)选用不同推进工质时的性能参数;并采用直接蒙特卡洛模拟方法(DSMC)对MPT羽流进行了数值模拟。结果表明,几种工质的推力变化不大,氦气为23.6 mN,氮气为24.8mN,氩气为24.8 mN;但比冲区别较大,氦气为565.2 s,氮气为243.7 s,氩气为180.2 s。羽流场中,密度、压强及温度沿轴向和径向均逐渐减小;轴向速度在轴线附近变化不大,采用氩气工质时,约1 700 m/s,在远离轴线区域,沿流动方向逐渐增大,沿径向逐渐减小;径向速度沿轴向变化不大,沿径向逐渐增大,并在接近流动区域边界时迅速减小。

微波等离子体推力器谐振腔电磁场分布研究

分析求解Maxwell方程。分别对矩形谐振腔和圆柱形谐振腔两种谐振腔的不同的谐振模式重要参数进行了分析计算。通过电磁场仿真重点对谐振腔内的电磁场进行编程计算,仿真分析微波等离子体推力器无加载谐振腔内的电磁场特性。为确定推力器最简单适用的谐振腔形式以及与其相应的谐振模式提供依据。

水工质微波加热推力器的击穿点火与离解损失估算

对水工质微波等离子推力器(MPT),用微波击穿气体放电产生等离子体的条件,数值估算了其点火的可行性;通过化学动力学计算证明了水工质MPT中离解损失的存在,并初步估算了理解损失的大小。结果表明,在1 kW的输入功率下水工质MPT的点火启动并不特别困难,从点火到稳定工作,能量吸收从场致电离、碰撞电离转变为热电离、碰撞电离和场致电离;水在MPT工作过程中会发生离解,离解损失在各类能量损失中所占的比重较大。

水工质微波电火箭能量吸收转换机理分析

对水工质微波等离子推力器,用微波击穿气体放电产生等离子体的条件,通过数值计算预估了其点火的可行性;通过等离子体流动方程分析了其从点火到稳定工作的能量吸收形式;从输入和吸收微波功率的角度,分析了提高能量吸收效率可能的途径。结果表明,水工质MPT的点火启动并不特别困难;从点火到稳定工作,能量吸收从场致电离、碰撞电离转变为热电离、碰撞电离和场致电离;扩大等离子体区是提高能量吸收效率的有效途径。

MPT可靠启动与稳定工作影响因素

为了研制高性能、高可靠MPT,在真空条件下,实验研究了不同推进工质、内导体位置、微波接头灌封材料、探针长度、工质流量和微波输入功率等因素对100W MPT可靠启动和稳定工作的影响。通过实验,分析了MPT主要性能参数如推力、比冲及效率等随工质流量、微波输入功率等参数的变化规律。研究结果可为MPT的性能改进起到重要指导和参考作用。

用Langmuir探针诊断MPT羽流

为了探索微波等离子推力器(MPT)羽流的特性,建立了一套Langmuir探针诊断系统并对MPT的羽流进行了诊断,得出了MPT喷管羽流的电子温度和电子数密度等重要特性参数。实验结果表明,所测参数反映了等离子体的特性,与理论计算结果基本相符,并且诊断手段简单易行,为MPT羽流诊断提供了一种实验手段。