LHT-100霍尔推力器放电通道能量损耗数值计算与分析

为了对LHT-100霍尔推力器开展热分析及热设计优化,根据放电通道能量平衡关系,建立各项能量损耗微观表达式,采用PIC-MCC法对推力器工作过程进行了数值模拟,通过统计等离子体微观参数获得各项能量损耗并进行了实验验证.研究结果显示:激发损耗为51.1 W,电离损耗为66.2 W,阳极损耗为55.4 W,束流损耗为815.4 W,内壁面损耗为144.7 W,外壁面损耗为170.5 W;推力器稳定工作时有效能量损耗所占比为61.7%,耗散能量中带电粒子在壁面的能量沉积最大,等离子体产生成本次之,电子在阳极的能量沉积最小;仿真结果与测试数据具有较好的一致性,最大误差小于4.6%.研究结果为霍尔推力器放电通道能量损耗计算提供了一种新思路.     

H2/O2/Ar可燃气体激光诱导火花点火的实验研究

对H₂/O₂/Ar可燃气体激光诱导火花点火进行了实验研究. 采用Nd:YAG激光器产生的 532 nm激光聚焦击穿气体点火, 并采用激光高速纹影系统对不同初压、激光点火能量、氩稀释度可燃气体点火的火焰结构进行了流场显示. 结果表明, 气体击穿形成椭球形等离子体, 稀疏波与等离子体作用, 在等离子体迎光侧和背光侧分别形成一对反旋的螺旋环, 导致等离子体和随后的火焰面向内弯缺, 在等离子体左侧激光轴附近形成一个向外凸出的气瓣. 等离子体的高温气体诱导火花核的形成, 受壁面反射弱激波或压缩波的作用, 初始层流火焰减速. 弧形火焰阵面与壁面的作用及其与激波或压缩波、稀疏波等作用, 导致层流火焰向湍流火焰转捩. 对摩尔比为2:1:10、初压为53.33 kPa, 激光诱导火花点火的激光器最小输出能量为 15 mJ. 随预混气初压的升高, 激光点火能量越高, 降低氩稀释度, 会加快火焰阵面传播速度.     

火星壳磁场对电离层影响的综述

火星壳磁场对电离层的影响是火星电离层研究的热点之一.本文总结了国际上针对火星壳磁场对电离层影响的研究.早期的火星电离层数据主要来自无线电掩星观测.根据无线电掩星观测结果,火星壳磁场主要影响电离层的电子密度标高和峰值电子密度.强水平磁场可以有效阻止等离子体的垂直扩散,导致顶部电离层电子密度的标高与光化平衡区域相近;而在类似极尖区的强垂直磁场区域,由于等离子体的垂直扩散增强,会导致扩散平衡区域电子密度标高的增加.MGS的无线电掩星观测发现在火星壳磁场比较强的南半球区域电离层主峰值电子密度平均略高于在北半球弱磁场区域的观测结果.MEX首次利用顶部探测雷达对火星电离层进行观测,其观测结果证实电离层主峰值电子密度的异常增加只发生在火星壳磁场中类似极尖区的开放磁场区域,而且峰值电子密度增加的幅度远大于无线电掩星观测的结果.造成在火星壳磁场类似极尖区的开放磁场区域出现电离层主峰值电子密度异常增加的可能机制有两种：一种与能量粒子的注入有关;而另一种与等离子体不稳定性的激发和波动加热有关.目前还无法确定是哪种机制起主要作用.在此基础上,本文提出了火星电离层和等离子体环境需要深入研究的几个问题.     

等离子体-吸波材料-等离子体夹层结构的电磁脉冲防护性能研究

提出了一种用于电子设备防护高功率电磁脉冲的等离子体-吸波材料-等离子体夹层结构. 建立了该结构的电磁波反射/透射模型, 结合放电产生等离子体和常用吸波材料的特征参数, 采用时域有限差分方法计算了夹层结构的电磁波透射特性. 结果表明, 在相当宽的频率范围内, 夹层结构对电磁波衰减作用明显优于等离子体和吸波材料层单独存在时作用效果的累加. 所提出的模型和相关结果对于电磁脉冲防护具有指导意义.     

螺旋折流板波槽管换热器换热性能实验研究

以水为工质,对弓形折流板光管换热器、螺旋折流板波槽管换热器以及螺旋折流板光管换热器进行了传热实验。结果表明,螺旋折流板波槽管换热器具有良好的换热能力,螺旋角对螺旋折流板换热器壳程换热影响较大。与折流板数量为14个和5个的弓形折流板光管换热器相比,螺旋角为9.8°的螺旋折流板光管换热器的壳程换热系数分别提高了4%~60%和5%~70%;螺旋角均为9.8°的螺旋折流板波槽管换热器与螺旋折流板光管换热器相比,前者的壳程换热系数和管程换热系数分别提高了2%~26%和60%~120%;与螺旋角为9.8°的波槽管换热器相比,螺旋角为6°和8°的波槽管换热器的壳程换热系数分别提高13%~48%和5%~37%。     

地球等离子层极紫外波段辐射特性计算

介绍了计算地球等离子体层 He⁺密度分布的动态全球核心等离子体层模式(DGCPM), 模拟了等离子体层结构特性和30.4 nm辐射特性, 与IMAGE卫星观测结果的对比分析表明: (1) 等离子体层顶主要位于5.5 R_E以内, 10 min收缩或扩张的特征尺度约0.1 R_E; (2) 等离子体层肩产生于行星际磁场南向偏转并从晨侧向正午方向旋转; (3) 等离子体层尾在行星际磁场南向偏转时会向昏侧旋转并变窄. 模拟得到从月球上观测时等离子体层位于5.5 R_E以内, 对应月基极紫外相机视场角 10.7°×10.7°; 等离子体层 30.4 nm辐射强度为 0.1~11.4 Rayleigh; 首次从侧面模拟出了等离子体层肩和尾结构, 其空间变化尺度量级为0.1 R_E. 以上计算结果为月基极紫外相机参数设计提供了重要理论依据.     

内编队重力场测量卫星全推力姿轨一体化控制研究

内编队重力场测量卫星作为一种新概念的纯引力轨道飞行器,通过精密定轨和相对状态测量实现高精度地球重力场测量.其中对外卫星的控制保持编队内卫星在纯引力轨道上稳定飞行是决定测量水平的关键因素之一.针对稳态工作模式的内编队系统,研究了仅用推力器实现姿态轨道一体化控制的问题,构建了姿态非线性和共用推力器引起的姿态轨道耦合的六自由度平动和转动动力学模型,并基于约束非线性模型预测技术建立了姿轨一体化控制的二次型优化模型.通过仿真实验可知,约束非线性模型预测控制方法计算快速,能克服部分约束条件的非凸性;推力器布局合理,推力消耗低,满足内编队系统任务需求.     

涡旋重联的Hall-MHD模拟及其在高纬磁层顶的应用

应用2.5维可压缩Hall-MHD数值模拟方法研究了高纬磁层顶进入层的磁场重联过程. 当同时考虑Hall效应和流场剪切的效应时, 产生了同心的流体涡旋和磁岛; 在磁层顶两侧看到了等离子体的交换, 磁层顶的边界区趋于模糊; 日下点附近产生的重联结构会在向高纬流动的过程中随着剪切流的增强而产生变化; Hall效应可提高涡旋重联的重联率; Hall效应产生的3维磁场和流场分量在剪切流的作用下重新分布, 使得等离子体交换过程更为复杂. 模拟的结果有助于增进对高纬磁层顶的动力学过程的理解.     

向阳侧磁层顶非对称驱动重联的数值研究

采用二维可压缩模型 ,数值研究向阳侧磁层顶非对称驱动重联过程 .假设初始时刻系统处于磁静平衡态 ,对交界面两则温度相同Tm0 /Ts0 =1 .0 ,而磁场强度比分别为Bm0 /Bs0 =1 .0 ,1 .5 ,2 .0 ,2 .5 ;以及两侧温度比Tm0 /Ts0 =2 .0 ,磁场强度比Bm0 /Bs0 =1 .5 ,5种情况做数值实验 (Bm0 ,Tm0 和Bs0 ,Ts0 分别表示电流片外磁层侧与磁鞘侧初始磁场与初始温度 ) .数值结果表明 :当磁鞘侧磁场取为南向时 ,在边界入流的持续作用下 ,5个算例均展示出多重气泡状磁结构的重复形成 .并且 ,一些“磁气泡”在向上运动时聚合成较大尺度的等离子体团 ,而另一些则单独地依次撤离计算域 ,从而产生具有不同尺度 ,不同时间间隔的等离子体团事件 ,清晰地表现出磁场重联的脉动式特征 .数值结果还表明 :这些多重气泡状磁结构相对周围介质而言是高温、高密度区 .它们的形成和演化可以产生法向磁场分量的双极特征或波动型变化 ,这在一定程度上反映了FTEs的观测特征 .     

晨侧等离子体片ULF Pc5压缩波的重构分析

本文首次使用Grad-Shafranov（GS）方法研究了1998年3月9日晨侧磁赤道附近ULFPc5压缩波事件.为了验证GS方法对ULF重构有效性,先用一维电流片模及其析检验了GS重构方法对开放磁力构重构效果,果表明除了边角磁势之外,整开放磁力构重构误差在10%以内.我们GS重构果首次给出了受任模约束压缩波二维图象,显示了磁力疏密交变化特征.进一定量出ULFPC5压缩波波长为2至4个地球半,磁场态与前人提出经验压缩波2维驻波模似.在本文重构中,仅重现了ULFPc5压缩波三个磁场分量分,还定量地重现了波场中热压强电流密度分.     

航天器复杂推力器配置控制能力分析的一种新方法

本文针对工程中关心的航天器复杂推力器配置的控制能力问题,提出了一种新的分析方法——配置相对于任务的可行性分析法.文章首先系统地给出了一套推力器配置可行性的定义,然后利用矩阵范数求解配置控制能力最弱的方向及其对应的控制能力上界中的最小控制指令,并由此推出了推力器配置约束可行的判别定理.最后给出了应用可行性分析法研究配置控制能力的具体方法,并通过算例进一步验证了该方法的正确性和有效性.     

三维磁重联观测研究进展

磁重联是等离子体中最主要的能量转换过程, 在耀斑、CME和磁层亚暴等空间等离子体物理和空间天气学过程以及磁约束核聚变的磁流体力学稳定性研究中起着关键作用, 是等离子体物理的一个基本问题. 除周期性边界条件, 如环形磁约束核聚变装置外, 一般情况下三维磁重联都发生在以磁零点为基点的磁场拓扑分形面上. 本文简要介绍三维磁重联中磁零点的理论和卫星观测进展, 并对今后的发展作一简要分析.     

易电离元素Na和K对水工质脉冲等离子体推进器性能的影响

针对水工质脉冲等离子体推进器的高电阻造成推功比低这一情况,本文提出在水工质中添加低电离势的易电离元素Na和K以提高其性能,并通过放电电流测量和等离子体发射光谱分析实验进行验证.实验研究表明：Na和K对脉冲等离子体推进器性能的提高有一定影响.NaCl和KCl水溶液工质与水工质相比,具有较低的总电阻和较高的推功比和比冲.其中,NaCl水溶液工质对脉冲等离子体推进器性能的影响比KCl水溶液工质略高.等离子体发射光谱分析与放电电流测量实验一致.Na和K致使水工质的等离子体发射光谱信号强度得到增强.     

等离子体中尘埃粒子对电磁波的吸收效应

基于Mie-Debye散射模型研究了等离子体中的尘埃粒子对电磁波的吸收效应. 计算了Debye散射场的无旋分量及由它引起的入射电磁波的能量损耗. 结果表明: 温度越低, 等离子体密度越高, Debye散射场的无旋分量产生的吸收截面越大; 对于较低的频率电磁波, 尘埃等离子体的散射主要表现为Debye散射, Debye散射场中的无旋分量引起的能量吸收不可忽略, 它引起的吸收截面对波的传播有重要影响.     

行星际磁云边界层特征及边界新定义

分析1967 ~ 1998年间数据较完整的所有70个磁云边界的飞船观测, 提出磁云边界新定义: 它是磁云与背景介质相互作用形成的边界层. 物理特征是: 外边界多是磁重联边界, 温度、密度和等离子体 b 参数多呈现“三高状态”, 内边界是磁云本体未受相互作用影响的边界, 温度、密度和等离子体 b 参数多呈现“三低”状态. 磁云前、后边界层的平均厚度为1.7和3.1 h. 边界层内磁场的分布函数与背景介质和磁云本体有重要变化发生.     

等离子体波导中电磁波传输理论

对圆柱波导中的介质管内填充等离子体且外加有限轴向磁场时，电磁波的传播特性进行了严格的理论分析，得到了电磁场分量，特征值，色散方程和复功率流的严格表达式，并进行了详细讨论。     

介质阻挡放电等离子体流动控制的研究

在等离子体激励因素诱导流场变化实验和数值模拟分析的基础上，探索了介质阻挡放电等离子体流动控制的效应．结果表明湍流模型比层流模型可获得更好的结果．通过平板流动实验与压气机叶栅实验相结合的措施，研究了等离子体对外流、内流加速与抑制流动分离的耦合作用．实验结果表明：等离子体激励可以改变边界层的速度特性；在流速低于20m／s时，等离子体激励可显著改善栅后总压和速度分布特征；流速接近50m／s时，等离子体仍会明显改变总压和速度的最小值；可见，在低速流动条件下，采用等离子体激励方式能达到抑制流动分离的目的．     

三维Hall MHD数值模拟中初始载流子对场向电流分布的影响

用Hall MHD数值模拟的方法研究了Hall等离子体中不同初始粒子载流情形下磁场拓扑形态结构的改变以及场向电流与Alfven波的产生．在考虑了初始离子载流子的影响后，模拟结果中磁场的拓扑形态结构更加复杂．模拟结果中除了传统的By四极结构以外，还出现了一个与传统By四极结构相反的反四极结构，这种结构的出现使Hall MHD理论能解释完全电子载流情形下不能解释的观测现象，作为事例给出了Cluster卫星观测事例．同时还得出以下几个非常有意义的结果：1）受Hall效应影响的区域（空间变化尺度小于或相当离子回旋半径的区域）电子与离子分离．在非Hall效应影响的大部分区域，受初始离子＋y方向运动的影响整个磁结构向＋y方向偏移；而在受Hall影响的较小区域，受电子运动影响磁力线向-y方向弯曲．随之，By产生；2）由于By的出现，场向电流（FACs）产生．与完全电子载流的情形相比，结果中场向电流分布的中心随离子载流比例的增加向＋y方向偏移，场向电流主要分布在y〉0的区域；3）模拟结果中Ae≈0．76，Ai≈1．36，Ae×Ai≈1．03，完全符合Hall等离子体中的瓦伦关系，证实了Alfven波的存在．     

自组织临界性及其在斜坡重力作用灾害研究中的应用

首先介绍了3种在自组织作用下的反映斜坡物质能量耗散普适性过程的沙堆模型实验, 以及托卡马克等离子体试验. 实验表明, 当沙堆由非均匀颗粒组成时呈现SOC现象; 托卡马克等离子体当约束条件减弱时具有SOC的一些特性. 然后通过沙石材料土工性质的测试和堆积结构模拟分析, 得出SOC主要由系统的组构特征确定的结论. 最后在SOC的概念框架下讨论了斜坡重力作用灾害的机理研究、预测预报以及防治工程设计等问题.     

氮化物陶瓷基复合材料烧蚀透波性能研究

采用前驱体转化法制备了2.5维石英纤维增强氮化物陶瓷基复合材料(2.5D SiO/Si3N4-BN), 在高温等离子体射流环境下研究了复合材料的烧蚀和透波性能, 用X射线衍射、扫描电镜对材料的相组成及烧蚀表面形貌进行测量和观察. 结果表明氮化物陶瓷基复合材料的线烧蚀率为0.33 mm/s, 高温透波率最高达98.6%. 烧蚀过程中, 熔融的石英液态层与基体相互保护, 烧蚀表面无石英熔融层堆积, 烧蚀表面平整