毛细管消融等离子体及其射流压力特性研究

为研究消融等离子体及其射流在点火和增强火药的燃烧效应时对电热发射内弹道过程的影响,通过实验得到了毛细管内消融等离子体及其射流压力随时间的变化规律,并对脉冲等离子体射流产生的推力进行了初步测试,采用推力计算公式结合等离子体射流的动力学参数对射流的推力进行了计算.实验结果表明:毛细管内消融等离子体及其射流的压力幅值取决于放电能量,射流的压力相对毛细管内等离子体的压力有一定的滞后,并且耗散得更快;脉冲射流产生的推力具有冲击震荡效应,其最大值和射流压力基本同步;利用推力计算公式得到的推力和实验结果具有一致性.     

60 mm口径霍尔推力器放电特性数值模拟与试验

为了明晰小功率霍尔推力器放电特性,为后续工程应用及优化提供帮助,本文基于兰州空间技术物理研究所研制的60 mm口径小功率霍尔推力器LHT-60,建立了二维轴对称模型,利用流体方法对推力器放电室内等离子体放电特性进行了数值模拟,获得了推力器启动过程中的等离子体分布变化,并模拟推力器额定工况稳态下的等离子体、电子温度以及空间电势等关键参数。额定工况下计算推力和阳极比冲分别为21.18 mN、1257 s。同时,为验证推力器宽功率范围工作能力,在阳极流率1.1 mg/s~1.7 mg/s,阳极电压280 V~350 V条件下开展了试验,并与数值模拟结果对比分析,误差在10%左右。     

基于Corsica的EAST等离子体平衡计算

等离子体平衡是托卡马克等离子体放电和控制的基础,文章利用Corsica程序,结合实验给出EAST放电过程中等离子体平衡位形的建立和等离子体电流、密度及温度剖面分布信息;同时在平衡位形建立的基础上开展了放电模拟研究,脉冲过程中等离子体电流稳定演化、等离子体大半径和小半径等重要参数的模拟结果与实验吻合较好.     

等离子体发生器脉冲放电特性实验研究

实验研究了自然环境压力条件下等离子体发生器的脉冲放电特性.利用动态分压器和罗果夫斯基线圈型电流传感器测试了脉冲放电过程中消融毛细管等离子体的负载电压和放电电流.实验发现:在放电回路中使用钳位二极管可以有效地调整脉冲放电状态,提高等离子体发生器工作稳定性;调整放电回路的参数值也实现了回路的过阻尼放电,达到使用二极管整流的效果.     

脉冲放电激发反电晕的研究

针对高压脉冲电源反电晕放电进行实验研究。采用正极性固态Marx脉冲发生器作为放电电源，以中间添加蜂窝介质的针板作为放电电极，设置正极性矩形高压脉冲输出电压为0～20 kV可调，工作频率为0～1000 Hz可调，脉冲宽度为10～500 μs可调，进行反电晕放电实验，并根据电源和电极参数对影响放电电流大小的因素进行分析。进一步，在相同放电电极参数条件下，将高压脉冲反电晕与直流反电晕进行了对比研究。研究结果表明：介质厚度、针板间距、脉冲宽度和放电频率均对反电晕放电电流有一定影响；在脉冲放电频率为100～1000 Hz时，发生反电晕的相同电压下，脉冲反电晕放电电流大于直流反电晕放电电流，证明高压脉冲激发反电晕放电效果更好。     

大气压多脉冲介质阻挡均匀放电的数值模拟

为了进一步明确大气压多脉冲辉光放电的形成机理,采用扩展的一维等离子体流体模型数值研究了大气压多脉冲介质阻挡均匀放电的放电特性.该模型增加了电子能量守恒方程,考虑了电子温度对电子输运系数的影响.结果表明大气压氦气多脉冲放电中的每个电流脉冲都处于汤森放电模式,上一次放电为下一次放电提供了种子电子,导致了后面的击穿电压依次降低,放电电流脉冲依次减小.随着驱动频率的增加,电流脉冲个数减少,但是脉冲电流大小增加.随着驱动电压幅值的增加,不仅电流脉冲个数增加,脉冲大小也增加,模拟结果与实验结果定量吻合.     

高压受限电弧等离子体发生器实验研究

电热化学发射中，等离子体发生器的放电是电能转化为热能的重要阶段。该文在自由喷射等离子体发生器实验装置上分别对不同毛细管几何参数、不同贮能水平以及不同毛细管材料等3种情况进行了放电实验研究及分析，得出了负载效率、峰值电流、平均电阻等测量参数与贮能水平和毛细管几何参数之间的关系。     

射频离子推力器束流特性数值模拟

为了分析射频离子推力器束流特性,基于二维流体模型对自研的11 cm射频离子推力器开展放电室等离子体数值模拟,获得给定电气参数下离子密度、电子温度等关键参数的分布特性;研究了等离子体参数和束流大小与射频功率间的函数关系;以等离子体参数和栅极参数为输入,基于离子光学系统模型获得不同工况下的单孔离子引出轨迹.研究结果显示:离子密度和电子温度分别沿放电室径向逐渐减小和增大,有利于获得更好的束流均匀性及更大的束流;束流大小与射频功率呈线性正相关关系,有利于实现束流连续精确可调;屏栅上游鞘层的形成与离子密度、离子种类、栅极电压组合相关,综合考虑以上因素获得最佳束流聚焦和引出特性.     

大气压脉冲放电等离子体的研究现状与展望

近年来,大气压脉冲放电等离子体研究受到了人们的格外关注.研究表明与交流驱动相比,脉冲放电产生大气压等离子体具有许多优势,如它的VUV、氧原子、及臭氧的产生效率高;峰值电流密度、电子密度、及电子产生效率也更高;在对介质表面处理时能达到更好的处理效果和更高的效率;还更易产生均匀的大面积等离子体;所产生等离子体的非平衡性更高;灭菌效果也更好等优点.但是,对于脉冲放电的放电机理,放电模式,及脉冲参数(上升沿和下降沿、重复频率、脉冲宽度等)对放电效果的影响,现在的研究还非常有限,且很零散.这一方面是由于大气压放电诊断本身就很困难,另一方面,由于脉冲放电快速的时空演化过程进一步加大了对其诊断的难度.再者,对其研究还受到脉冲电源参数的限制.本文对国际上大气压脉冲放电等离子体最新研究的代表性研究成果做了一个综述,并对今后的研究方向提出了几点建议.     

不同时间尺度等离子体气动激励特性的测试诊断

为了揭示ns脉冲等离子体气动激励与流场附面层耦合作用机制,提高等离子体气动激励控制附面层的能力,对不同时间尺度的等离子体气动激励的放电特性和体积力等进行了测试诊断。实验结果表明:ms、μs、ns脉冲放电的放电电压相差不大,但ns脉冲的最大放电电流明显高于ms和μs脉冲,最高可达到4 A;激励电压越大,等离子体气动激励诱导体积力越大;ms、μs脉冲等离子体气动激励诱导体积力水平方向分量较大,ns脉冲水平方向体积力近似为零;ns脉冲垂直方向体积力不为零,与ms和μs脉冲相差较小。     

5千瓦霍尔推力器磁场优化及Particle-In-Cell性能仿真

为了提升兰州空间技术物理研究所研制的一种5 k W霍尔推力器LHT—140的性能,采用ANSOFT软件进行了磁场优化设计,将磁场径向分量的轴向梯度提高了47%,相同励磁激励下放电通道中的磁场强度提高了38%。建立了一个R-Z平面内的二维particle-in-cell(PIC)等离子体模型,对磁场优化后推力器的性能进行了仿真分析,预估其在300~800 V放电电压、10~15 mg/s流率范围内,推力提升了9.6%~22.1%,效率提升了8.7%~19.3%。性能验证试验表明磁场优化后在相同放电电压与流率下,性能提升的测试值高于仿真值。     

高压脉冲放电等离子体处理酸性橙Ⅱ染料废水的实验研究

研究多针-板电极形式的高压脉冲放电等离子体体系对酸性橙Ⅱ染料废水的脱色效果,并研究脱色机理.结果表明,实验中所采用的多针-板电极形式的高压脉冲放电等离子体体系对酸性橙Ⅱ染料废水的脱色效果明显.在相同的脉冲电压下,系统的脉冲频率、电极间距以及溶液初始pH值和初始浓度等因素对溶液的脱色效果影响显著.在脉冲电压为30 kV,脉冲频率为75 Hz,电极间距为2.5 cm的实验条件下,反应体系放电60 min对酸性橙Ⅱ的脱色率可达92.7%.此项研究结论为进一步研究多针-板电极形式的高压脉冲放电等离子体体系的放电作用提供了依据.     

恶劣海况下的船舶电力推进系统控制策略仿真

针对恶劣海况下电力推进系统常规控制策略适应性不足的问题,提出抗过旋控制策略.首先,分析恶劣海况下螺旋桨出入水现象对螺旋桨产生的推力和转矩的影响,提出恶劣海况下带动态限速模块的抗过旋控制策略(抗过旋控制策略#1)和带吸气(ventilation)识别模块的抗过旋控制策略(抗过旋控制策略#2),并在后者中设计三种吸气效应识别器来侦测吸气效应;然后,在Matlab/Simulink环境中搭建船舶电力推进控制系统仿真模型;最后,设计恶劣海况下的仿真实验,比较常规控制策略与抗过旋控制策略之间的性能优劣.仿真实验结果表明,在恶劣海况下,带吸气识别模块的抗过旋控制策略拥有优良的控制性能.     

对螺旋波无电极等离子体推力器李萨如加速机制的研究

螺旋波无电极先进推力器(HEAT)是一种新概念的等离子体推力器,具有比冲高,寿命长,无电极烧蚀,可靠性高的优点,适用于未来的深空探测等长时间飞行任务。首先介绍了推力器的结构和工作原理,重点介绍了李萨如加速机制的原理,分析了HEAT的电子运动轨迹。并用等离子体的漂移扩散模型推导出了具体的推力计算公式,在粒子的回旋半径和推力器的比值为特定的值的时候,推力有一个最大值,理论分析结果为后续的推力器的设计提供指导。     

等离子体气动激励减小翼型跨音速阻力的数值模拟

等离子体气动激励能够显著提升飞行器／动力装置的气动性能。本文进行了等离子体气动激励减小RAE2822翼型跨音速阻力的数值模拟。将电弧放电等离子体激励简化为对流场的热能注入,建立了基于唯象学的数值计算模型,以实验测试结果作为输入条件,将热能以源项的形式加入N-S方程求解,研究了不同来流速度、激励强度以及激励位置下等离子体气动激励对翼型阻力特性的影响。仿真结果表明:等离子体气动激励可以有效减小RAE2822翼型跨音速阻力,来流速度与等离子体气动激励减阻效果有较大关系,当[WTBX]Ma=0.81时,减阻达到13.58％;激励强度对减阻效果影响较小,当W[WTBZ]=3 000 K时,减阻达到11.77％;增大激励位置,减阻效果增大,但幅度变小,当[WTBX]D[WTBZ]=20 mm时,减阻达到13.17％。     

基于离子回旋共振有质动力加速的螺旋波推力器的原理研究

基于离子回旋共振有质动力加速(ICR/PA)的螺旋波等离子体推力器为一种先进概念的无电极推力器,具有无电极烧蚀、比冲高、寿命长的优点,在未来的深空探测和卫星的动力系统中具有广泛的应用。分析了该推力器的结构组成、工作原理、发展现状,并利用准线性理论推导了基于ICR/PA加速方式的离子获得能量的过程,给出了推力计算公式。理论分析结果为后续推力器的设计提供指导。     

脉冲等离子体推力器地面试验电源

为满足脉冲等离子体推力器性能研究和推广应用的需要,在原有地面试验电源的基础上,结合当前的电子技术,研制出MDT-Ⅱ型新的地面试验电源,该电源不仅性能满足应用要求,而且结构更为轻巧、美观,操作方便。     

放电室长径比与磁体间距对离子推力器原初电子约束性能的影响

电子约束效率为反映环尖型离子推力器放电性能的重要参数之一,一般采用原初电子的平均约束长度来表征。对于离子推力器,放电室长径比与磁体间距会影响磁场分布,进而影响电子约束效率。放电室长径比与磁体间距的最佳状况是原初电子在放电室中保持尽量长的时间。以二维轴对称的离子推力器放电室为几何模型,发展了计算原初电子运动情况的代码。通过求解Maxwell方程和电子运动方程得到磁场和电子的运动轨迹,从而得到原初电子的平均约束长度。对放电室长径比与磁体间距对原初电子约束性能的影响进行了参数化研究,总结了只考虑原初电子约束时放电室长径比与磁体间距的选取原则。