螺旋波等离子体推进器原理研究

电推进作为一种新型推进技术已受到国内外航天界的广泛关注,且已成功应用于卫星、深空探测器等任务。在众多电推进器中,螺旋波等离子体推进器以其无须电极、比冲大、使用寿命长、性能高等优点成为近年来人们重点研究的对象。文章首先从螺旋波等离子体推进器的发展历程、研究现状和发展态势等角度进行了系统介绍;然后对此种推进器的结构组成以及推进原理进行了阐述;并对几种典型离子加速方式进行了研讨;最后对螺旋波等离子体推进器的应用前景进行了展望。

螺旋波等离子体推进器中双层形成的PIC模拟

建立了螺旋波等离子体推进器中双层等离子体形成过程的一维全粒子PIC模型,讨论了放电过程中电子加热模型和等离子体膨胀模型,计算了不同条件下螺旋波等离子体推进器中双层等离子体的分布。结果表明：采用氩气工质,在射频电流90A/m^2和工作压强0.05-0.15Pa的条件下,可产生双层等离子体,其密度为1.3×10^15-2.8×10^15 m^-3,双层电势降为10-30V,可加速氩离子束流,喷射速度为3-12km/s,双层加速效应对推进器的性能具有一定影响。

螺旋波等离子体推进器磁场仿真

推进工质电离、加速、喷出过程以及电羽流的污染控制等都与磁场密切相关。磁场位形的仿真设计对于提高螺旋波等离子体推进器的性能至关重要。基于等效磁荷方法建立了专门针对螺旋波等离子体推进器的三维磁场仿真模型,计算出圆柱形与圆环形铷铁硼(Nd-Fe-B)永磁体组合产生的磁场位形及磁场强度分布特征。该模型为改进电推进器实验方案提供必要的参考和指导;通过大量仿真计算与分析,从大量的磁铁构型方案中优选出合适的磁铁构型,可以缩短螺旋波等离子体推进器的实验周期,降低成本,加快电推进器的研发进度。

螺旋波等离子体放电特性研究进展

螺旋波等离子体是目前低温等离子体产生密度最高的等离子体源之一,在材料处理、薄膜沉积、宇航推进、磁约束聚变以及基础等离子体物理研究等领域都有很大的应用潜力.近年来国内外研究者普遍关注这种高密度等离子体源,一方面人们对螺旋波等离子体的放电理论缺乏深入的认识,对等离子体激发和传播过程中能量的吸收存在多种假设,比较认可的是螺旋波等离子体通过螺旋波与TG波耦合效应实现能量沉积;另一方面,螺旋波等离子体放电过程中会表现出许多独特的现象,如低场峰、模式跃迁、无电流双层结构等,无法给出统一的解释,对这些放电特性的研究无疑有助于加深对螺旋波等离子体放电机制的理解.文章从放电机制和放电特性两方面出发回顾了近15年来螺旋波等离子体基础研究进展,总结了螺旋波等离子体放电过程中的低场峰现象、模式跃迁和无电流双层现象等研究结果.围绕螺旋波等离子体放电特性研究,展望了未来的研究重点,为理解螺旋波等离子体能量耦合机制,实现工业应用提供支撑.

电子温度各向异性对螺旋波等离子体中电磁模式的传播及功率沉积特性的影响

采用考虑粒子温度各向异性热等离子体介电张量模型,借助磁化、均匀密度分布等离子体中电磁波的一般色散关系,在低磁场、低气压螺旋波等离子体典型参量条件下,理论分析了电子温度各向异性对电磁模式传播特性和角向对称模功率沉积的影响.研究结果表明:对于给定的纵向静磁场B_(0)(或波频率ω),存在一个临界波频率ω_(cr)(或纵向静磁场B_(0,cr)),当ω>ω_(cr)(或B_(0)<B_(0,cr))时,电子回旋谐波遭受的阻尼开始显著增大;相比粒子温度各向同性情形,粒子温度各向异性彻底改变了波的传播特性,即相位常数和衰减常数均出现峰值现象;在考虑电子有限拉莫尔半径效应和电子温度各向异性情形下,Trivelpiece-Gould(TG)波碰撞阻尼在整个电磁波功率沉积中占据主导地位,电子纵向温度T_(e//)存在某一临界值,在此临界值处TG波功率沉积出现峰值P_(abs,TG),且随着T_(e⊥)/T_(e//)的减小,此功率沉积峰值P_(abs,TG)逐渐增强.

高通鸟笼线圈激发螺旋波等离子体特性研究

研制了高通鸟笼线圈,使用氩气作为工质气体对射频天线的工作性能进行了初步评估。利用COMSOL5.4模拟出了鸟笼天线在13.56MHz的工作频率下,电场和磁场呈线性极化分布。对鸟笼线圈进行了电路结构解剖,推导出了其谐振频率计算公式。利用热耦合红外测温仪测试了正常工作状态下的鸟笼线圈外表温度明显低于传统射频天线,电容器最高温度仅65.8°。使用光谱仪对螺旋波等离子体放电光谱特性进行诊断。通过朗缪尔探针诊断了不同压强和磁场强度下螺旋波等离子体密度,在1.0Pa、600Gs、射频功率700W条件下等离子体密度达到1.62×10^(18)m^(-3)。诊断了正向功率和反向功率对应的等离子体密度,其与磁滞现象变化趋势雷同。测试了螺旋波等离子体的径向密度分布,其在轴心处密度达到最高。探究了无磁场条件下等离子体特性,其密度值不会发生大幅度跃迁,纵向磁场是引发螺旋波等离子体放电的关键因素,低压条件下有利于得到更低的电子温度,最低达到2.67eV。表明鸟笼线圈低热耗、高馈入的特性使其在激发大体积的高密度螺旋波等离子体方面具有明显优势,可以投入到下一阶段氢气螺旋波等离子体的激发工作中。

螺旋波等离子体推进研究进展

螺旋波等离子体推力器是一种新概念磁等离子体推进装置,以其电离率高、无电极烧蚀、寿命长、比冲高等优点受到国内外学者的广泛关注,该新型推力器在未来长寿命深空探测器和卫星的动力系统中具有广阔的应用前景。概述了螺旋波等离子体推力器的系统组成和工作原理、重点介绍了该推力器的研究进展、现状和关键技术,总结了国外在研的四种典型的推力器结构类型,并根据实际情况,提出了国内螺旋波技术在电推进领域的研究方向和发展思路。

基于局域发射光谱的LEAD装置螺旋波等离子参数测量

发射光谱法是常见的用于诊断等离子体的光学诊断技术,然而,这项技术并不能在空间上分辨等离子体。为了以低成本得到高空间分辨率的等离子体参数,发展了局域发射光谱法。这是一种将光纤伸入等离子体中以采集光纤前端等离子体光谱学信息的高空间分辨率光学诊断技术。介绍了局域发射光谱法技术的原理,并在大型线性等离子体实验装置LEAD上用蚊香形射频天线激发了氩等离子体,并在不同的射频功率和径向位置下对比了局域发射光谱法测得的等离子体光强和朗缪尔探针测得的等离子体电子密度,同时观察到了在射频功率500 W左右等离子体从感性耦合放电模式到螺旋波模式的跳变。结果表明:局域发射光谱法测得的光强与实验室现有的朗缪尔探针测量的电子密度之间较强的正相关,证明了用光强表征电子密度的可靠性,和LEAD装置上现有的朗缪尔探针在不同的等离子体模式的诊断上互补。

基于发射光谱法的螺旋波电推进器等离子体源放电实验研究

为探究不同气体条件下螺旋波电推进器等离子体源的放电特征,开展了氩气、氦气和氮气放电的光谱诊断实验研究。氩气和氦气为工质气体的放电条件下,部分波长谱线相对强度随功率的增加而增强,且斜率出现两次跳变,考虑是螺旋波放电过程中的模式转换,即容性向感性、感性向波模式的转换。三种工质气体,在较低的压强下,各谱线强度均随压强增大而迅速增强,但氩气放电下压强继续增大达到1.0Pa以后,谱线强度增强趋势变缓甚至达到“饱和”状态,而氦气和氮气放电下压强增大到0.5~0.65Pa,谱线强度出现降低趋势,氦气和氮气放电强度对压强更为敏感。

磁等离子体发动机的多流体模拟

磁等离子体发动机(magnetoplasma rocket engine,MPRE)的离子回旋共振加热(ion cyclotron resonance heating,ICRH)单元将射频能量直接耦合给离子,是发动机的工质加热单元,其加热效果对发动机推力性能有关键影响。为探究ICRH单元的工作规律,建立了用于模拟MPRE的二维轴对称多流体模型,并采用该模型对MPRE中螺旋波等离子体源与不同输入的ICRH单元进行了模拟。计算结果表明:螺旋波等离子体源在放电过程中由于沉积功率分布发生变化而不断经历模式转变过程,模式转变时电子温度出现峰值,等离子体密度迅速上升;开启ICRH输入后,电子参数基本不变,离子温度有明显提升,表明ICRH单元对离子有明显加热效果,且增加输入电流幅值与输入电流匝数均可显著提高离子温度,实现发动机高比冲工作模式。

用于空间站的螺旋波等离子体推进研究进展

针对如何利用空间站中气态物质作为电推力器的推进工质,产生空间站姿轨控所需动力,提高空间站物质利用率以及降低空间站长期运行成本,介绍了螺旋波等离子体推力器的工作原理及性能特点,结合气态物质的主要成分,综述了国内外对于复杂工质螺旋波等离子体推力器的最新研究进展,讨论了复杂工质螺旋波等离子体推力器的关键技术和研究方法,对复杂气体用于螺旋波等离子体推力器的应用进行了展望。

新型微波电热推进器中低温等离子体对微波的吸收效率的估计

本文建立了圆柱谐振腔内低温有界非均匀等离子作与微波相互作用的初等模型,对2.45GHzTM011模式下等离子体的吸波效率进行了预估,并对影响波效率的主要因素进行了分析.

VASIMR中螺旋波等离子体源设计

螺旋波等离子体具有密度高,可控性强且无电极等优点,被应用于可变比冲磁等离子体火箭(VASIMR,Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket)中.设计了一个螺旋波等离子体源,并给出了其中2个关键部分———磁场线圈和螺旋波天线的设计.对螺旋波等离子体源进行了初步实验,结果表明,电子密度随射频输入功率的增加几乎呈线性上升,估计电子密度的量级在通入工质后完全可达1011cm-3.

螺旋波激发氢等离子体光谱诊断

利用螺旋波等离子体化学气相沉积(HWP-CVD)技术,以氢气为反应气体产生等离子体。通过采集氢的可见到紫外发射光谱,对等离子体进行了原位诊断,由氢Balm er系分析得到了不同实验参数对激发态氢原子相对密度的影响,通过对Fu lcher带的分析,得到实验参数对氢振动温度的影响。结果表明:低压氢等离子体状态可借用日冕模型来诊断;激发态氢原子密度随入射功率增加而增加,随压强增加而减少,氢分子振动温度随压强增加先增大后减小;电子温度和电子密度是低压氢等离子体状态变化的关键因素。

高密度螺旋波等离子体源的应用进展

首先介绍了螺旋波的定义、螺旋波等离子体源产生等离子体所需条件的工作范围以及螺旋波等离子体源主要的一些应用。按照所加磁场范围的不同(分为在磁感应强度为100～1 600Gs和在强磁场中两部分),分别进一步讨论了国内外各研究小组研制的等离子体源的运行参数及技术特点。随后介绍了螺旋波等离子体源在刻蚀、薄膜沉积和火箭推进三个方面的应用进展。其中重点介绍了螺旋波等离子体火箭推进。最后简单展望了螺旋波等离子体源的应用前景,并指出其发展中尚待解决的一些问题。

螺旋波激发氢等离子体的电子温度及密度研究

采用射频调谐朗缪尔单探针方法对螺旋波激发的氢等离子体I-V特性曲线进行了测量。运用Druyvestey方法对氢等离子体的电子能量分布(EEDF)及电子密度ne的变化规律进行了研究,并与发射光谱诊断结果进行了比较。结果表明:ne随着射频功率的增大成线性增大,本实验中最大值可达到1012cm-3量级,电子平均能量E随着射频功率的增大逐渐升高,并逐渐达到饱和;ne随着工作气压的增加而增大并出现峰值,存在一个最佳气压范围(2 Pa^4 Pa)使ne达到最大,E则随着工作气压的增加逐渐减小;氢气流量对ne的影响非常小,当氢气流量达到一定值(12 sccm)后,ne几乎不变化,E随着氢气流量的增加逐渐降低,最后趋于稳定;朗缪尔单探针方法与发射光谱法诊断的结果基本一致。

螺旋波等离子体的密度与离子能量分布的诊断

螺旋波等离子体是一种高密度的低温、低气压等离子体。这种等离子体在超大规模集成电路工艺、微机电系统加工、新型薄膜材料及纳米材料制备、材料表面改性以及气体离子激光器等方面具有广泛的应用前景。本文采用一套球栅阻滞场带通式能量分析器 ,对螺旋波等离子体在工艺室扩散区样品架表面的特性进行了一些初步的实验研究 ,主要测试了在样品附近的等离子体在其表面上所形成的离子流密度 (从而导出等离子体密度 )以及入射离子的能量分布 ,并对这些参数随射频输入功率的变化进行了研究。研究发现 ,在螺旋波等离子体的扩散区 ,离子能量分布的宽度比用离子温度预期的值大得多 。

螺旋波等离子体放电特性的射频补偿朗缪尔单探针测量研究

采用射频补偿朗缪尔单探针研究了螺旋波放电中功率、气体压强、磁场强度等对等离子体参数的影响。结果表明,随着功率的增大,等离子体密度会出现两次明显的跳跃,分析认为放电模式经历了由容性模式到感性模式和波模式转变过程。实验发现磁场的增大、放电压强的增大都可以使模式转变的功率阈值提前。同时,在天线上端的测量到低场密度峰的存在,并进行了气压和功率的影响的研究,认为低场峰主要是由螺旋波放电模式引起。

螺旋波等离子体化学气相沉积法制备纳米碳化硅薄膜

采用螺旋波等离子体化学气相沉积 (HWP CVD)技术在Si(10 0 )和石英衬底上合成了具有纳米结构的碳化硅薄膜。通过X射线衍射 (XRD)、傅立叶红外透射 (FTIR)和原子力显微镜 (AFM)等技术对所制备薄膜的结构、组分和形貌进行了分析 ,利用光致发光技术研究了样品的发光特性。分析表明 ,在 70 0℃的衬底温度和 1.33Pa的气压条件下所制备纳米SiC薄膜的平均颗粒度在 3nm以下 ,红外透射谱主要表现为Si C吸收。结果说明HWP CVD为制备高质量纳米SiC薄膜的有效技术 ,所制备样品呈现出室温短波长可见发光特性 ,发光谱主峰位于 395nm附近。

径向压力和温度分布对螺旋波等离子体波场和能量吸收影响研究

为了揭示螺旋波等离子体推力器中的等离子体源功率耦合机理,针对气体工质电离后被射频加热的稳态过程,考虑等离子体密度非均匀分布条件,采用三参数压力函数(fa,sp,tp)和温度函数(f_a,s_t,t_t)表示柱状等离子体内压力和温度的径向分布,分析了径向压力梯度、温度梯度对螺旋波等离子体内功率沉积、波电场、波磁场和电流密度的影响。考虑梯度为正,梯度为负和梯度为零三种梯度类型。结果发现:压力梯度为正时,螺旋波在等离子体临近壁面处的功率沉积减弱,但射频波透入深度增加,原因是靠近管壁处等离子体密度较低,RF波径向单位长度衰减较少,透入深度增加。温度梯度为负时,柱状等离子体中心处能量沉积变强,原因是管中心位置等离子体密度较大,电子温度较高,与RF波能量耦合增强;横向截面的电磁场、电流密度分布在不同压力和温度梯度下基本不变,证明了m=1模式的稳定性。