美企成功示范全球首台聚变强化脉冲等离子体空间电推进器

【美国火箭之星公司网站2024年3月20日报道】美国火箭之星公司(RocketStar)近日宣布成功示范FireStar聚变强化电推进器,证明了这种推进器的技术可行性。这是全球首台采用聚变强化脉冲等离子体技术的空间电推进装置。

毛细管脉冲等离子体推力器等离子羽流分团现象与等效速度测量

毛细管型脉冲等离子体推力器采用固态工质,电热加速机制,结构简单可靠,是一种具有应用价值的微纳卫星低功率电推进系统。本文建立电学和光学联合诊断系统,对毛细管脉冲等离子体推力器等离子体羽流演变过程进行了研究。由于放电电流振荡,推力器等离子体羽流存在二次建立过程。初始阶段等离子体羽流中主要包含带电粒子组分,二次建立阶段等离子体羽流主要包含中性成分。利用光电二极管阵列和窄带滤光片建立了飞行时间法,获得了不同放电电压、腔体内径和腔体长度下等离子体羽流分团的等效速度演变特性。结果表明,电热加速机制能够使带电组分和中性成分获得较为良好的加速效果(>10km/s)。在一定放电能量下,放电腔体长度小于25mm有利于获得较优性能参数。等离子体羽流等效速度结果能够较为准确地反映推力器输出比冲和效率参数变化规律,可作为推力器输出参数便捷有效的评估手段。

脉冲等离子体球磨放电的数值模拟研究

为了研究等离子体球磨罐内部的放电机理,并探索在球磨罐中所添加的磨球材质对放电的影响,本文根据流体理论对球磨罐设备进行了二维建模,模拟了在三种情况下(无填充磨球、氧化铝填充磨球和不锈钢填充磨球)一个脉冲电压周期内球磨罐放电腔体中的放电过程,通过数值分析来对比仿真结果中的各种放电参数,并结合实际球磨罐运行时的放电图片和仿真结果图片体现了建模仿真的可靠性。结果表明,添加金属材质磨球时的放电电流幅值(5.0 A)较无磨球(3.5 A)和氧化铝磨球(3.7 A)情况下都要高,对于放电过程中的最大电子密度,添加金属磨球情况下(2.52 e12/cm3)较无磨球(5.48 e11/cm3)和氧化铝磨球(8.25 e11/cm3)情况下都要高,同时对于像平均功率密度、电子温度和亚稳态粒子密度等参数,都是以金属磨球情况下的数据最大,氧化铝磨球情况下次之,无磨球情况下最小,可见填充磨球可有提高球磨罐内的放电强度,填充金属材质磨球时的这种提高更加显著。

交流和直流脉冲等离子体改性聚四氟乙烯对比研究

利用自行研制的直流脉冲电源和交流脉冲电源产生等离子体,分别对聚四氟乙烯进行了表面改性研究。在放电电压、占空比、工作气压、工作气氛、处理时间相同的情况下,探讨了直流脉冲和交流脉冲等离子体对样品改性效果的不同影响;通过接触角测量、扫描电镜(SEM)等手段对未处理的、直流脉冲和交流脉冲作用后的亲水性、表面形貌进行了检测和分析。结果表明:交流脉冲等离子体对PTFE的改性效果优于直流脉冲等离子体。

微脉冲等离子体推力器放电过程和性能初探

针对平板烧蚀型微脉冲等离子体推力器(μ-PPT),开展了放电过程研究和性能表征。根据放电过程的电学测量和等离子体区域的发光行为分析,研究了μ-PPT的基本放电特点和放电形态演变。从空间分布看,μ-PPT放电空间可分为3个区域(阴极区、弧柱区和阳极区),随着放电间隙的减少,阳极区逐渐消失。从时间分布看,μ-PPT放电是由多个幅度不同的脉冲放电构成,放电回路和放电间隙的阻抗分布决定放电脉冲的数量,一定条件下可以发生单脉冲放电。根据μ-PPT等离子体区的电流片模型,估算了μ-PPT元冲量和推力等基本性能参数。结果表明,放电间隙和烧蚀量对μ-PPT性能参数有重要的影响,相同脉冲放电能量时,放电间隙越大,元冲量越大,烧蚀量也越大,导致比冲越小。放电时空形态是影响μ-PPT的元冲量和比冲的关键因素,因此,开展放电回路和放电间隙的阻抗优化研究是提高μ-PPT性能的有效途径。

脉冲等离子体推力器研究综述

简要介绍了脉冲等离子体推力器(PPT)的基本工作原理;回顾了国内外脉冲等离子推力器的发展历史;阐述了它的优势与面临的挑战;分析了需要研究的关键技术与发展方向。

电极材料对脉冲等离子体降解有机废气的影响分析

用脉冲等离子体降解有机废气，对甲苯、二甲苯的降解率达７３％～９１％，对二氯甲烷的降解率达８２％。在实验中发现电极材料的不同会影响分解效果，其中钨电极的降解率最高。本文运用等离子体化学中放电气体电子碰撞电离和化学自由基产生的机理以及阴极电子学中带电粒子轰击电极表面激发二次电子发射的理论，通过比较不同金属电极的二次电子发射系数δ，研究电极材料对脉冲等离子体降解有机废气影响的机理，发现主要是由于不同电极材料δ值的差异引起降解率的差异，电极稳定性对降解率和电极寿命也有重要影响。在实验的三种电极材料中钨的δ值最大，其最大二次电子发射系数δｍ为１．４，铜其次为１．２９，不锈钢最小约为１．２４，这成为导致三者降解率差异的主要原因。

脉冲等离子体推力器推进剂烧蚀传热计算

运用磁流体动力学的方法,建立脉冲等离子体推力器工作过程模型,展开三维仿真研究,对推进剂的烧蚀传热过程进行分析。通过该模型计算得到的推进剂烧蚀质量和元冲量能够反映出实验结果的大体趋势,同时针对不同电容以及两种不同推力室构型的情况进行了评估。结果显示,推进剂的温度变化波形反映着放电波形的变化波形,影响着推力室等离子体的流动,良好的推进剂表面温度分布更有助于推进剂的喷射过程。

脉冲等离子体推力器宏观特性数值研究

为了揭示脉冲等离子体推力器(Pulsed plasma thruster,PPT)的宏观工作特性,以传统"弹丸"模型为基础,提出了一种基于电磁和气动耦合加速机理的计算模型以及延时气化效应的评估方法,并与LES-6,LES-8/9 PPT进行模型验证和实验对比。结果表明,计算所获得的PPT脉冲烧蚀质量等宏观特性与实验数据吻合较好;脉冲烧蚀质量中仅有较少一部分(LES-6约10%,LES-8/9约28%)被离子化和电磁加速排出(约31.6km/s),其余绝大部分则是在主放电结束后以中性气体混和物低速排出(约460～680m/s);电磁加速对PPT元冲量的贡献是主要的(LES-6约77%,LES-8/9约86%);增强电磁加速,尤其是减少延时气化效应对PPT效率的提高是十分必要的。

脉冲等离子体烟气脱硫反应器电极配置对能量利用的影响

实验研究了线-板式脉冲电晕放电烟气脱硫反应器的电极结构配置对脉冲能量利用的影响。结果表明在一定实验条件下增加电晕线数、减小线板间距能提高反应器对脉冲能量的利用;在电场长度一定下,线线间距为线板间距的0.6～1倍时,反应器对脉冲能量的利用达到最大。

交流脉冲等离子体改性聚四氟乙烯的XPS研究

用交流脉冲等离子体对聚四氟乙烯进行了表面改性实验。利用XPS研究了处理后样品表面的化学成分、电子结构和结合能。结果表明:交流脉冲等离子体作用于聚四氟乙烯样品表面将发生C-F键断裂,表层氟含量减少,氧含量增加;由于大量极性基团的引入,使得PTFE亲水性能得到改善。同时讨论了不同交流脉冲占空比对改性效果的影响,占空比较大时改性效果更佳。

毛细管型脉冲等离子体推力器研究现状综述

毛细管型脉冲等离子体推力器是一种高性能微型电推进系统。它利用放电电弧在腔体内部烧蚀管壁材料,材料消融产生的等离子体在压力梯度下加速喷射产生推力。毛细管型脉冲等离子体推力器具有结构简单,可靠性高,输出参数可调节范围宽的特点。与传统脉冲等离子体推力器相比,在低功率条件下,其推功比和总体效率有较大提升,在微小卫星领域具有较好的应用前景。毛细管型推力器研究包括推力器结构设计、关键部件及电源研制、工作机制研究、工作特性诊断、性能参数优化等,本文调研了日本、美国、德国等研究机构的相关研究成果,并对毛细管型脉冲等离子体推力器的研究现状进行评述。

脉冲等离子体推力器的性能分析

脉冲等离子体推力器(PPT)的性能受多方面因素的影响,包括放电参数以及推力器本体结构等。通过对脉冲等离子体推力器的工作原理和物理学模型的分析,研究了PPT的效率、比冲、推力、元冲量、推功比等性能参数与电极结构、电气参数的关系,并设计了实验,对效率、比冲、元冲量等与放电能量、电极间距的关系进行了验证。结果表明,效率、比冲、元冲量均随放电能量的提高而增大,元冲量在电极间距为50 mm时大于间距为30 mm、40 mm时的值。根据实验结果,提出了设计高性能PPT的一些优化条件,对PPT的设计有参考意义。

脉冲等离子体推力器放电波形设计评估仿真研究

运用磁流体动力学的方法,对脉冲等离子体推力器推力室工作过程开展三维双温MHD数值仿真,并开展对推力室的工作机理的分析研究。通过该模型计算得到的推进剂烧蚀质量和元冲量与实验结果相符,同时针对不同初始电压、电容以及两种特征波形的情况进行评估,为推力器的放电波形设计提供指导依据。结果显示在推力器波形设计的初期,是采用电流高变化率低能量水平,还是采用电流低变化率高能量水平,需要结合实际,进行优化评估。

脉冲等离子体震源及其在海洋地震勘探方面的应用

结合PSS500J研究成果,介绍了脉冲等离子体震源的构架,详尽分析了脉冲等离子体震源电路原理和放电过程,给出了脉冲等离子体震源的一个应用实例。研究表明,脉冲等离子体震源的放电过程分为电容放电和电感放电两个阶段。激发产生的电脉冲为单脉冲,脉冲持续时间不足0.2ms,而传统电火花震源激发产生的电脉冲为衰减震荡脉冲,脉冲震荡持续时间可达1ms,这使得脉冲等离子体震源地层分辨率明显高于传统电火花震源。此外,脉冲等离子体震源放电激发时,负载电阻和高压电极与地极之间的距离无关,且负载电阻远大于传输电缆的电阻,能量传输效率明显高于传统电火花震源。PSS500J脉冲等离子体震源系统的研制成功,打破了国际垄断,对于我国海洋工程、海洋地学研究甚至国防均有较大意义。

脉冲等离子体治理二甲苯废气影响因素研究

为了寻找、开发既经济又高效的技术来处理易挥发性有机物,避免其对人体造成的危害,笔者以脉冲等离子体技术治理二甲苯废气为研究对象,对烟气的湿度、O2含量、其它有机气体的存在和催化剂的使用等影响因素进行了探讨。实验结果表明:在湿度0.5%～7%范围内,增加烟气中湿度有利于二甲苯的去除;在氧气为载气的条件下,二甲苯的去除率最高;烟气中苯的存在,提高了二甲苯的去除率;在催化剂MnO2作用下,二甲苯的去除率得以提高,且降解反应更完全。

高能量密度脉冲等离子体同轴枪制备Ti(C,N)薄膜研究

用高能量密度脉冲等离子体同轴枪分别在硬质合金和氮化硅陶瓷刀具基体上沉积了Ti(C,N)薄膜,研究了各种因素对薄膜相转化的影响,通过XRD分析,最后得到合适的Ti(C,N)薄膜沉积工艺条件是:枪压3.5kV,同轴枪与试样间距30～40mm,氮气进气压力0.2MPa,电磁阀电压1.5kV,脉冲等离子轰击次数5次以上。

脉冲等离子体辐射微波机理的初步研究

在分析了等离子体辐射微波的电流波形和喇叭天线接收到的微波信号波形的基础上,对脉冲等离子体辐射微波的机理进行了理论分析:阴阳极间存在TEM和TM两种模式的波;流经等离子体的电流产生的磁场使等离子体中的波成为慢波;高频场的激励因素有两个,一是作加速运动的电子,二是阳极斑点溅射时阳极电位突降;同一时刻具有不同速度的电子将能量转换给相应相速的波是其产生超宽带辐射的原因。

腔体结构参数对毛细管放电型脉冲等离子体推力器放电特性的影响

毛细管放电型脉冲等离子体推力器在微纳卫星在轨机动应用中具备良好的发展前景.本文系统研究了单次放电能量5 J条件下,不同毛细管腔体尺寸参数对推力器能量沉积特性、烧蚀特性、输出推力参数和等离子体羽流参数的影响规律.实验结果表明,增大毛细管腔体内径会显著降低放电电流密度,减小沉积能量和等效功率;增大腔体长度有助于提升能量传递效率.腔体结构尺寸变化影响单位面积沉积能量和管壁温度,进而改变烧蚀特性.当毛细管内径从1 mm增加至3 mm时烧蚀质量显著下降,随着腔体内径的进一步增大,等效烧蚀质量近似不变;烧蚀质量随毛细管长度的增加持续增大,但单位面积烧蚀质量不断下降.推力器元冲量取决于烧蚀质量与其等效速度,烧蚀特性的差异进一步影响腔体内等离子体密度和等效压强,影响等离子体电热加速过程.毛细管腔体内径和长度的不断增加,使得加速过程滞后于放电和烧蚀过程,作用于加速过程的电弧沉积能量比例降低,降低推力器等离子体喷射速度,元冲量减小,比冲降低,总体效率下降.结合总体效率传递模型分析,毛细管内径对推力器效率的影响主要体现在能量传递效率方面,毛细管长度变化主要影响等离子体电热加速效率,优化推力器总体效率需要从能量沉积效率和加速效率两方面入手.

脉冲等离子体推力器火花塞的性能实验

点火回路引燃脉冲等离子体推力器的主电容放电,是推力器的关键部分之一,其性能直接影响到推力器运行的成败。实验设计了脉冲等离子体推力器的点火电路和同轴型、钩型、平行电极型三种结构的火花塞。在此基础上,获得了三种火花塞的充电电压、放电电流及点火情况。结果显示,平行电极型的点火效果最佳。最后分析了三种火花塞的点火机理,获得了较好放电性能的火花塞结构形式,为脉冲等离子体推力器的稳定运行提供了重要的依据。