磁等离子体发动机中磁喷管分离过程的流体模拟

磁等离子体发动机在深空探测、载人航天等领域具备广阔的应用前景.发动机的磁喷管单元将离子能量转化为轴向动能,对磁喷管中等离子体与磁场分离的物理过程开展研究对提升发动机推进效率具有重要意义.本文建立了针对磁等离子体发动机中磁喷管的流体数值模型,并在不同入口离子温度、背景磁场条件下开展了数值模拟.计算结果表明:等离子体向下游运动的过程中轴向速度增大,并与磁力线逐渐分离,绝热性损失分离机制在分离过程中起主导作用;入口离子温度升高,离子轴向速度增大,离子与磁场分离位置更靠上游,但不会对阻性分离过程产生影响;背景磁场增强,下游离子速度减小,流线与对称轴的夹角减小,各种分离机制中绝热性损失分离机制仍起主要作用.

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。

磁等离子体发动机中离子回旋共振加热多组分流体模拟

离子回旋共振加热(Ion Cyclotron Resonance Heating,ICRH)单元的加热效果对磁等离子体发动机(Magnetoplasma Rocket Engine,MPRE)的推力性能有至关重要影响。为研究ICRH的加热效果,本文建立了用于模拟MPRE中ICRH单元的二维轴对称多组分流体模型,并采用该模型对MPRE中螺旋波等离子体源的工作模式与不同输入条件的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要经历从Trivelpiece-Gould (TG)波模式向螺旋波模式的转变过程,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单元对离子有显著加热效果;此外,离子温度随ICRH输入增大而升高,ICRH输入电流150A时,离子温度可达50eV以上。

大气压电子束等离子体密度诊断实验

大气压电子束等离子体密度诊断用微波法和光谱法较为合适,根据微波在等离子体中的传播特性,利用微波透过等离子体时透射能量衰减和相位变化,计算等离子体密度,并与光谱诊断结果进行比较,2种方法诊断结果基本一致。在微波诊断等离子体实验研究中,发现空气湿度对大气压等离子体密度有显著影响,利用大气化学模型仿真研究湿度对等离子体密度影响规律,获得与实验测试一致的结果。

大气压放电等离子体研究进展综述

本论文简要回顾了大气压放电等离子体的发展历史,介绍了大气压放电等离子体的产生方式和分类,从基础研究和应用两个不同的层面分析了大气压与低气压放电等离子体的异同点。在此基础上,就大气压放电等离子体在生物医学、环境保护、先进材料合成、主动流动控制以及辅助燃烧等典型应用领域的研究进展进行了详细的综述,包括大气压放电等离子体在上述不同领域的研究进展以及亟待解决的主要科学和技术问题等。基于此,凝练了目前大气压放电等离子体源基础和应用研究所面临的共性关键科学问题和核心技术问题,这对今后该领域开展多学科深度融合的、以应用为导向的研究工作具有一定的借鉴作用。

等离子体点火用高压电源设计方法研究

根据等离子体点火对高压直流电源的要求,选用具有电容型滤波器的LCC串并联谐振变换器为主电路拓扑结构,针对电感电流连续模式下的谐振变换器,在对其工作原理分析的基础上,用基波近似法推导出变换器的稳态模型,建立了变换器的等效电路,并给出了便于工程设计的电路的数学描述。通过研究各参数对电路性能所造成的影响,设计最优化的参数以保证开关管在全负载范围内实现零电压开关,有效降低了开关管的热损耗。详细介绍了电源系统的组成和电路参数的设计方法,针对该设计方案,通过仿真结果证实了理论分析的正确性。

高功率螺旋波等离子体诊断试验研究

高功率螺旋波等离子体源作为可变比冲磁等离子体发动机(Variable Specific Impulse Mag-netoplasma Rocket,VASIMR)的第一级,其参数直接影响发动机的性能。为提高螺旋波源的等离子体密度和工质电离率,以4kW螺旋波等离子体源为研究对象,利用射频补偿Langmuir探针诊断等离子体的离子密度和电子温度。试验结果表明,在强磁场条件下,随着功率的升高,螺旋波等离子体源内部共出现两次放电模式转换,最终进入了螺旋波放电模式。在达到螺旋波放电模式后,羽流区域的等离子体密度超过1×10^(12)cm^(-3),初步评估,放电天线区域的离子密度超过2×10^(14)cm^(-3),离子密度在放电管中心区域较高,沿径向逐渐降低。研究结果为30kW磁等离子体发动机的研制提供依据。

磁等离子体发动机中离子回旋共振天线参数优化

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)单元中射频天线是能量注入元件,其参数直接影响能量耦合效率。为优化ICRH天线参数,建立了ICRH中粒子模拟(Particle In Cell,PIC)计算的缩比准则,以缩比PIC模型对ICRH单元进行了仿真计算,分析了天线位置、天线构型、天线输入频率对加热效果的影响,并在30kW MPRE样机上进行了羽流离子能量诊断实验。研究结果表明:天线起始位置位于0.125m (仿真中2.5mm)处加热效果最佳,左旋天线优于右旋天线,双带天线优于单带天线,四分之一扭转天线优于二分之一扭转天线,天线参数优化后离子能量升高到优化前的5.35倍;在螺旋波源功率4kW,ICRH功率8.0kW下,羽流诊断实验中离子能量达50.23eV,表明能量已成功耦合到等离子体中,天线优化方案有效。

永磁约束电子束轨迹实验研究

通过设计并运用一种直流电子束轨迹简易测量方法,开展了永磁约束电子束轨迹实验研究,得到了永磁铁环对60~80 ke V电子束约束作用的实验数据。结果表明:该测量方法方便有效,结果较为准确;永磁铁对电子束聚焦作用明显,并呈现出一定的规律性。对永磁铁约束电子束研究工作奠定了基础。

1 mN射频离子推力器参数与性能分析

射频离子推力器是空间电推进的一种,其推力性能是系统设计的核心问题。为获得推力特性随设计参数的变化规律,采用数值计算方法进行了研究,开展了1 mN射频离子推力器设计计算,对不同放电室尺寸、流量、射频功率、屏栅电压下的推力性能进行了分析并进行了工况优化。结果表明,模型能够正确地描述射频离子推力器性能变化规律,放电室内径25 mm的推力器即可以实现1 mN推力指标,在最优工况下,推力器推力1.176 mN,比冲2503 s,效率53.13%,满足设计要求。根据该模型研制的推力器样机成功点火,验证了数值模型的有效性,可以利用该模型为射频离子推力器研制工作提供指导。

碘工质射频离子推力器栅极系统束流特性仿真

为分析碘工质射频离子推力器束流特性,应用粒子云网格算法(PIC),对碘工质射频离子推力器栅极系统进行三维数值仿真。碘工质电离产物中除了大量存在的I^(+),还包含少量I^(+)_(2)、I^(2+)、I^(3+)几种多价离子。对添加多价离子前后束流特性的仿真结果进行对比,得出该栅极系统离子空间分布、电势分布、离子相空间分布以及束流、束流发散角,并对变密度工况下束流大小进行统计。计算结果表明,程序能较好地模拟离子在栅极系统中的运动情况:添加多价离子后,等离子体悬浮电势有所上升,鞍点电势有所下降,但整体电势分布的变化幅度较小;添加多价离子后束流大小略有增加,束流发散角略有减小,通过理论分析可知仿真所得理论推力及理论比冲均有小幅度增加;放电室等离子体数密度增加到约2.4×10^(17)m^(-3)时,该栅极系统达到了束流引出的极限,后续增大等离子体密度引出束流不增反降。模拟结果可以为碘工质射频离子推力器栅极系统的设计提供参考。

硅油介质循环高低温真空系统试验研究

为了掌握硅油介质循环高低温真空系统的特征和性能,便于今后开展各项空间环境模拟试验,根据试验过程中记录的数据,如温度、气压和时间,对RZHM-1500(设备编号)硅油介质循环高低温真空系统的特性进行分析。发现热沉温度随时间线性地上升和下降,舱压下降速度和极限真空度受热沉温度和材料析气影响较大。总结了极限真空度、抽气速度、热沉温度、材料析气等关键参数相互影响关系。

超高速飞行器气动外形对电波传播特性的影响

等离子体鞘套会对飞行器的无线通信信号产生强烈的干扰,甚至中断信号而威胁飞行器的飞行安全.为了解不同气动外形对电波传播特性的影响,文中研究了典型飞行器外形(钝头和尖头)外部鞘套的电波传输特性.首先,采用商业软件COMSOL计算不同飞行条件下的流场分布,生成离散鞘套模型数据.然后,结合等离子体中电波传播理论,采用高维Lagrange插值以及Runge-Kutta等方法数值地求解电波在鞘套中的射线方程,得到电波轨迹和衰减以及一些新的传播特性,并对这些传播特性的物理机制进行了分析.结果表明,在相同条件下,钝头飞行器对电波的干扰明显地强于尖头,表现出丰富的传播现象.取得的这些结果,能够为超高速飞行器设计提供参考,并进一步推动相关问题的研究.

阴极位置对大功率霍尔推力器点火过程影响的研究

为研究不同阴极位置对大功率霍尔推力器点火过程的影响,测量了一台10 kW霍尔推力器不同阴极位置下的点火冲击电流,采用PIC数值模型计算了不同阴极位置下推力器点火过程中离子密度变化特性。结果表明:与阴极外置结构相比,尽管阴极中置结构下点火过程初始阶段的阳极电流增长速率较慢,冲击电流峰值出现较晚,点火过程演化速率较慢,但点火冲击电流峰值更小,推力器点火成功后向稳态放电转换过程中低频振荡放电电流的平均值和峰值较小,且推力器点火过程中羽流的周向对称性更加良好,造成这些差异的主要原因是由于阴极所处的位置不同导致其初始发射电子所处的磁场环境不同。

吸气式电推进系统进气道结构对进气性能的影响

吸气式电推进系统能收集高空稀薄气体作为推进剂,延长卫星的工作寿命,其关键性技术之一是进气道的结构设计。采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)法,数值研究了进气道长纵比、进气道出口锥角和栅格结构及其几何尺寸参数对进气道进气性能的影响规律。结果表明:提高进气道长纵比,能提高进气道的压缩比和收集效率,当长纵比为7时,压缩比和收集效率达到最大值,分别为200和0.65;增大进气道出口锥角,进气道的压缩比和收集效率呈现先增大后减小的变化趋势,出口锥角的理论最优值为70°;栅格结构能有效防止已捕获粒子从进口逸出,从而提高进气道的压缩比和收集效率,改变栅格板厚度对进气道的压缩比和收集效率影响不大,而增加栅格板的长度和层数,进气道的压缩比随之提高,但收集效率降低。