航天器表面电位主动控制方法可行性的数值仿真分析

目的:为了研究在航天器表面发射电子束、离子束和低温等离子体对航天器表面电位控制的有效性.方法:基于航天器表面带电等效电路模型和电流平衡方程建立了表面电位随时间变化的微分方程,利用该方程以MATLAB为平台编程模拟航天器表面电位在一定时间段内的动态变化,仿真分析发射电子束、离子束控制航天器表面电位的有效性并且分析发射低温等离子体时控制航天器表面电位的可行性.结果:航天器表面发射合适的电子束流和离子束流可以有效降低航天器表面电位,进而分析得到发射低能等离子体时也能有效降低航天器表面电位.结论:在航天器上发射导电粒子束可以降低航天器表面电位,仿真结果对航天器表面电位主动控制技术的研究具有一定指导意义.     

不同轨道航天器表面带电的模拟

针对航天器表面充放电效应带来的影响,基于粒子分室法(PIC),利用SPIS(spacecraft plasma interaction system)模拟了低地球轨道(LEO)和地球同步轨道(GEO)上航天器表面的带电情况,分析了航天器表面充电电位、充电时间、航天器周围等离子体电荷分布等规律.结果显示,由于GEO上等离子体温度高、浓度低,而LEO上等离子体温度低、浓度高,因此,GEO上航天器表面电位远大于LEO上航天器表面电位;航天器的尾迹效应对周围等离子体分布影响显著;由于传统估算公式没有考虑航天器表面电子聚集速度降低的问题,因此,SPIS模拟计算航天器表面电位达到稳定状态的充电时间要比估算值大.     

航天器交汇对接电位控制研究与航天器电位监测

 低轨航天器间的电位差异是航天器交汇对接面临的一个重大安全问题,分析了低轨航天器在电离层等离子体中的充电机制,并给出了等效物理电路模型。在此基础上分析了国际太空站的主动电位控制原理和方法,并针对航天器交汇对接中的电位控制问题给出了2种新的解决方案。最后,提出了航天器交汇对接中的电位监测方案,即由朗缪尔探针和表面电位探测器组成航天器电位监测包。     

中低轨道航天器表面充电中地磁场的影响及其数值模拟

本文研究地磁场对中低轨道航天器表面充电现象的影响．根据航天飞行器带电机制,选用粒子模型,在粒子轨道跟踪的基础上,建立了时间依赖的粒子推进的计算模型,计算了飞行器表面充电的平衡电位,计算结果与观测吻合．     

电子回旋脉塞等离子体粒子模拟的理论研究

提出了基于波函数分析的有源缓变轴对称圆波导TE模式电子回旋脉塞场的展开方程,采用电磁型等离子体粒子模拟技术和有效电流分配法将电子注看作电流源,研究了归一化的电流密度方程和带电粒子运动方程,并利用单极近似和蛙跳算法在空间和时间上给出了场的变化、带电粒子的动能和位置的更新形式.阐述了理论分析过程,为数值模型奠定了基础.     

带电粒子扩散运动对直流等离子体特性的影响

根据流体动力学理论提出一个关于平行板直流辉光放电的一维连续性模型。该模型包括带电子电粒子的连续性方程和泊松方程。动用这个模型研究了带电粒子轴向扩散运动对直流辉光放电等离子体参量空间分布的影响。     

射频辉光等离子体中的参量分布研究

根据双流方程提出了描述平板电极、低压射频辉光等离子体中带电粒子输运过程的自洽数值模型.并进行了数值求解,求得了各等离子体参量的时空分布以及一些参量的时间平均值的空间分布.由这些分布可得出射频气体放电的物理图像.     

充电曲线法研究铂表面氧层的形成

利用恒电流充电曲线法和电位衰退法研究1 N H_2SO_4溶液中光亮铂丝电极表面氧层的形成和解脱.讨论了阳极充电过程的特征及表面氧层的吸附本质,并指出氯的存在对阳极充电曲线的形状有影响.     

等离子体镀光学薄膜的数学模型

从电离气体等离子体的基本性质入手,分析了处于等离子体中的基片表面鞘层及基片悬浮电位的形成,计算了正离子进入势垒到达基片的条件、基片的悬浮电位、到达基片的正离子流的密度,以及入射基片的正离子的能量,从而建立起等离子体镀光学膜的数学模型。     

带电粒子在外加电磁场中去捕获问题

带电粒子与电磁场相互作用过程中的去捕获问题对于等离子体物理学、带电粒子加速以及微波电子学等领域具有重要的意义.使用解析法研究了带电粒子的去捕获问题,并且对粒子的引导中心方程作了数值模拟.论文结果表明带电粒子的振动频率与电磁波频率发生共振时去捕获成为可能.     

射频负偏压等离子体鞘层流体动力学模拟

采用流体动力学方法建立了一种自洽的无碰撞射频直流偏压等离子体鞘层动力学模型.模型中考虑了极板直流负偏压对离子运动的影响,模拟了在不同偏压条件下射频等离子体鞘层内各参量的时空演化特性.在该模型中,认为鞘层厚度是与时间有关的函数,并采用等效电路模型建立了鞘层瞬时厚度与鞘层电位降的关系.模拟结果表明,极板上电势呈非正弦周期性变化;鞘层厚度变化与极板电势变化周期相同,趋势相反,且略滞后于射频周期.     

二维无碰撞离子引出过程的数值模拟

利用流体理论电子平衡模型，对二维不考虑带电粒子碰撞的激光分离同位素（ＡＶＬＩＳ）离子引出过程进行了数值模拟，包括对不同收集方式进行了模拟和对比，研究了离子引出过程中的物理机理及物理量的空间分布特点，表明等离子体电位略高于阳极电位，并在离子引出过程中基本保持不变；电子温度越高等离子体电位越高，离子引出时间越短；对称收集方式的离子引出时间短且离子逃逸量也少。     

射频光等离子体中的参量分布研究

根据双流方程提出了描述平板电极，低压射频辉光等离子体中带电粒子输运过程的自洽数值模型。并进行了数值求解，求得了各等离子体参量的时空分布以及一些参量的时间平均值的空间分布。由这些分布可得出射频气体放电的物理图像。     

基于纳米粒子链的表面等离子体的数值模拟

从电磁基本理论出发,深入研究了金膜上基于纳米粒子抛物链的表面等离子体的相互作用,由并矢格林函数求解波动方程,建立分层参考系统的电磁场模型.将纳米粒子抛物链划分为一系列立方单元,并利用耦合偶极子法将该积分方程转化为矩阵方程,从而计算出空间任意点的电场.此外,还给出了计算实例,并与国外的结果进行分析对比,证明运用的计算方法结果正确,算法快速.     

大气压等离子体清洗的反应动力学方程

近些年,大气压等离子体射流清洗得到广泛的关注,而实现等离子体射流清洗效果的定量控制也是这些年研究的热点之一.文中在反应动力学理论和阿仑尼乌斯定律的基础上建立了大气压等离子体射流清洗的反应动力学方程,并根据所建立的反应动力学方程确定了等离子体射流清洗装置反应动力学方程中的参数:指前因子和活化能,从而建立了该射流清洗装置的反应动力学方程,并将反应动力学方程所得到的清洗效果理论值与相同参数条件下实验所得到的清洗效果进行了对比,结果表明实验值与理论值吻合的很好,验证了所得到的大气压等离子体射流清洗反应动力学方程的可靠性.大气压等离子体射流清洗反应动力学方程的建立为实现现代化工业生产中清洗效果的定量控制提供理论基础和研究方法.     

碳纳米管中氢等离子体的介电特性及微波吸收机理研究

运用双流体理论和唯象模型,导出了碳纳米管中氢等离子体的复介电常数和微波吸收系数,构建了铁催化高压歧化生成的碳纳米管中氢等离子体的微波吸收模型,从理论上证明了铁催化高压歧化生成的碳纳米管氢等离子体中的带电粒子对微波产生的碰撞吸收是其主要微波吸收机理,揭示了铁催化高压歧化生成的碳纳米管对2.45 GHz的微波产生强烈吸收的物理机制.     

基于节点群整合方法的航天器热网络模型修正技术

根据航天器节点热网络方程的组成,结合实际机构的工程特点,建立了节点群参数化热网络整合方程,提出以此为基础的航天器热网络模型修正技术.基于原型热试验数据和导热基本原理的温度外推计算公式,可用来确定无测点的节点温度,解决航天器热试验温度测点不足,致模型修正工作无法付诸实施的难题.利用热网络修正模型,可以得到误差在工程许可范围的计算结果.     

超高速碰撞铝合金产生等离子体的磁场及辐射特性

材料在受到超高速碰撞时会产生等离子体,并伴随从低频到高频的电磁辐射,它是材料在强冲击载荷作用下出现的重要物理现象,是航天器遭受电磁毁伤的主要形式.本文以铝合金为研究对象,基于等离子体运动方程和比奥-沙伐尔定律,建立了超高速碰撞铝合金产生的等离子体膨胀运动诱发的磁场模型,分析了不同碰撞速度和靶板厚度条件下等离子体运动诱发磁场及微波辐射特性.结果表明,等离子体膨胀运动产生的磁场为脉冲振荡形式的高频磁场.最大磁感应强度幅值、电子振荡辐射功率谱密度以及微波辐射总能量与碰撞速度呈正相关.靶板越薄,等离子体运动产生的磁感应强度越大,强脉冲持续时间越短,电子辐射功率谱密度和微波辐射总能量越小.     

基于羽流污染的霍尔推进器电荷交换碰撞效应分析

推进器喷射过程中在尾部形成羽流区,羽流区域发生电荷交换碰撞,产生的电荷交换(charge exchange, CEX)离子与航天器表面相互作用,对在轨运行的航天器产生羽流污染效应.基于SPT100霍尔推进器建立了完整的航天器三维仿真模型,在满足准中性假设的条件下,采用PIC-MCC方法,通过模拟和计算航天器表面电势分布、电荷交换碰撞后的CEX离子电荷密度分布以及束流离子电荷密度分布规律,分析了CEX离子对航天器表面充放电的影响以及造成的羽流污染影响区域范围,为霍尔推进器系统的进一步优化设计提供理论参考.     

基于中压微波氩等离子体的鞘层时空特性研究

鞘层特性直接影响微波等离子体应用于工业等领域的质量,针对研究其时变的空间分布和电场分布具有一定难度的问题,运用有限元的方法建立了中等气压下耦合麦克斯韦方程的微波氩等离子体三维模型,对鞘层的时空特性进行分析,给出了其二维等效模型.基于对等离子体参数的分析,讨论了鞘层的形成过程及其厚度的变化趋势,对比分析了等离子体电场及微波电场的时空瞬态特征.结果表明:在时间上,由于电子与离子的扩散速度和受力方向不同,鞘层的厚度呈逐渐增大的趋势,并最终形成稳态鞘层;在空间上,鞘层存在于所有与等离子体接触的放电管壁附近,鞘层区域的电场强度始终大于等离子体主体区域,且电场方向始终指向管壁,对微波电场产生阻尼作用.此外,通过量化分析证明了鞘层厚度随压强的增大而逐渐减小.