无工质微波推力器推力测量实验

基于经典的电磁学理论, 本文建立了一套新概念空间推进装置-----无工质微波推力器系统, 这套装置可以直接把微波辐射能转换为推力而不需要任何推进介质. 与传统的空间推进装置不同, 该系统可以避免携带庞大的推进剂储箱并消除羽流对航天飞行器的污染. 该系统由集成在一起的圆台微波谐振腔、 微波源和负载组成, 其中微波源产生的微波辐射能被输入到圆台微波谐振腔内并形成纯驻波与电磁压强梯度, 从而沿圆台微波谐振腔轴线方向形成净推力. 本文根据随遇平衡原理, 通过克服推力器本身的自重和刚性阻力, 成功地测量出无工质微波推力器产生的净推力. 结果表明: 基于经典电磁学理论建立的无工质微波推进系统可以产生净推力; 当微波源输出2.45 GHz, 80---2500 W的微波功率时, 推力器产生的推力分布在70---720 mN范围内, 测量总误差小于12%.     

不同功率下无工质微波推力器的推力预估

基于经典电动力学理论,从麦克斯韦方程组和麦克斯韦张量出发,推导出无工质微波推力器的推力计算方程. 应用有限元分析软件,计算了特定谐振模式下的特定圆台谐振腔在不同功率条件下的电磁场分布;根据推导出的理论计算公式,计算了不同功率条件下推力器的总推力. 计算结果表明:推力与功率成正比,而且磁场力决定着总推力的大小;圆台谐振腔消耗20–200 W电磁波功率时所产生的推力在20–250 mN范围内. 关键词： 电磁波 麦克斯韦张量     

微波谐振器系统的调谐实验研究

圆台谐振腔和微波产生及传输装置可以形成一套和外界独立的微波谐振器系统.由于壁面上电磁压强差的作用,圆台谐振腔可能产生净电磁力,这需要从实验上给予证明.为此首先应对独立的微波谐振器系统进行调谐实验研究,使系统时刻处于谐振状态,这是实验证明净电磁力存在的重要保证.为此,本文对圆台谐振腔进行低信号调谐实验,同时配合调谐元件,准确地调试2.45 GHz频率下的谐振状态,分析温度对谐振状态的影响.实验结果表明该微波谐振器谐振频率2.44895 GHz、品质因数117495.0823,而且当腔体壁温升高时谐振频率减小、品质因数出现周期性振荡.     

Numerical investigation of the plasma processes for propellant heating in electrothermal plasma thruster for nanosatellites

Numerical investigation of the plasma processes in a cylindrical chamber with small dimensions of a novel microwave electrothermal plasma thruster for nanosatellites has been conducted. The absorbed microwave power from the electrons in the plasma column of the surface wave discharge is included in the computational model as a heat source with Gaussian distribution. The computational model takes into account the elastic and inelastic collisions of the electrons with the atoms in the ground state and two excited states (−s, −p) and the processes of recombination and deactivation of the plasma species in the volume and on the walls of the chamber. The computational model includes the flow of neutral gas and the processes in the plasma for effective heating of neutral particles by collisions not only with electrons but also with ions. Selected combinations of input power and propellant mass flow rates are used as initial parameters for the numerical investigation. The results show that at higher mass flow rates the heating of the neutral gas is more effective and at power levels of 4 W and propellant mass flow rate of 3 mg/s the electrothermal plasma thruster demonstrates effective performance and thrust levels in the order of 1 mN.     

微型电子回旋共振离子推力器离子源结构优化实验研究

微型电子回旋共振(ECR)离子推力器可满足微小航天器空间探测的推进需求. 为此, 本文开展直径20 mm的微型ECR离子源结构优化实验研究. 根据放电室内静磁场和ECR谐振区的分布特点, 研究不同微波耦合输入位置对离子源性能的影响, 结果表明环形天线处在高于ECR谐振强度的强磁场区域时, 微波与等离子体实现无损耦合, 电子共振加热效果显著, 引出离子束流较大. 根据放电室电磁截止特性, 结合微波电场计算, 研究放电容积对离子源性能的影响, 实验表明过长或过短的腔体长度会导致引出离子束流下降甚至等离子体熄灭. 经优化后离子源性能测试表明, 在入射微波功率2.1 W、氩气流量14.9 μg/s下, 可引出离子束流5.4 mA, 气体放电损耗和利用率分别为389 W/A和15%.     

低气压离子风推进器仿真与实验

离子风动力具有无需机械旋转部件、低功耗及低噪声等优点, 在平流层飞艇和太阳能飞机上具有重要的应用潜力。模拟临近空间的低气压环境, 采用"线-柱"电极结构电晕放电装置产生离子风, 实验测量不同放电条件下离子风推进器产生的推力和推功比, 研究了气压、放电电压、电极间隙对离子风动力的影响。仿真和实验结果表明, 气压的降低会导致推进器推功比的下降, 具体表现为: 当电极间隙为2.0 cm, 最大推功比由1 atm (1 atm＝101325 Pa)时的17.70 mN/W降低至0.02 atm时的0.24 mN/W; 而推功比的损失可以通过增大电极间隙来补偿, 当电极间隙增加至14 cm, 在0.02 atm的气压环境下, 推功比由0.24 mN/W升至0.70 mN/W。通过优化离子风推进器结构, 增加电极间隙, 离子风动力具备低气压环境下的应用潜力。      

真空环境中等离子体喷流对反射电磁波衰减的实验研究

在真空环境中，利用传输线测量装置，开展微波等离子体喷流对反射电磁波衰减的实验研究.实验结果表明，采用传输线测量方法能够有效地获得等离子体对反射电磁波的衰减；在5GHz附近，以氩气为工质，流量为52.5mg/s时，52W微波功率在真空环境中产生的等离子体喷流能对反射电磁波产生最大的衰减；增加微波功率、降低真空环境压强可以提高等离子体对反射电磁波的衰减；要使等离子体能够对反射电磁波产生最大的衰减，必须选取合适的发生器参数. 关键词： 电磁波在等离子体中的传输 等离子体基本过程 电磁波     

20 cm氙离子推力器放电室性能优化

束流离子生产成本和推进剂利用率是表征离子推力器放电室性能的重要参数。在考虑不改变放电室几何结构、磁场分布并保持离子推力器比冲和效率的前提下,利用一维经验分析模型对兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200离子推力器放电室性能进行了优化分析,以实现推力器的推力从40 mN提高到60 mN的目标要求。分析结果表明,提高放电室推进剂流率至2.06 mg/s,放电室内放电电流维持在6.9 A,放电室内平均氙离子密度达到2.1671017 m-3时,可以保证引出1.2 A的束流,推力器达到60 mN的推力。与之对应的推进剂利用率为92%,束流离子生产成本约为188.515 W/A,相比推力40 mN时,推进剂利用率为88%、束流离子生产成本为188.29 W/A的情况,放电室性能有所提高。另外,放电室性能优化过程中其鞘层电位始终保持在3.80~6.65 eV范围内。     

电推力器等离子体喷流对航天器通讯电磁波信号衰减效应

采用时域有限差分法计算了不同特性电推力器等离子体喷流对不同频率通讯电磁波的衰减系数,采用空间透射波法进行了微波等离子体推力器喷流对C波段电磁波衰减的地面测试实验。理论计算和实验诊断结果表明:电推力器等离子体喷流对电磁波的衰减系数随着电磁波频率的升高逐渐减小,随着喷流等离子体频率的升高近似线性增大,随着喷流等离子体碰撞频率的增大呈先增大后减小的趋势;当喷流中等离子体数密度为0.9×1016~1.8×1016m-3时,C波段电磁波的衰减系数为1.5~6.0 dB,电推力器等离子体喷流对通讯信号的衰减效应不可忽略。     

离子推力器工作性能参数控制模型

为了研究离子推力器工作参数对输出特性的影响,通过离子推力器工作性能参数的理论计算公式,建立起离子推力器输入参数与输出参数的Simulink控制模型,根据模型分别对我国研制的30 cm口径以及20 cm口径离子推力器的工作输出参数进行了理论计算,并通过推力测量试验对理论值进行了比对和分析。比对结果表明:在推力理论计算过程中引入二价Xe离子比率和束流密度分布推力修正,以及推力均方误差修正后,推力理论值与实测值符合性较好,计算误差小于1 mN,证明了推力修正方法的合理性。     

随机耦合模型复杂腔体电磁耦合效应统计特性

针对微波脉冲激励下复杂屏蔽腔体内部电路耦合电磁量计算的问题,建立了一个微波混沌腔体,通过测试获取了含内部电路的腔体辐射和辐射散射参数,利用随机耦合模型(RCM),对干扰脉冲能量进行了归一化处理,计算分析了微波脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲数目以及腔体损耗因子对目标点感应电磁量统计分布的影响。计算结果表明:脉冲干扰下电路目标点耦合电磁量强于功率源激励;在脉冲能量一定的条件下,目标点耦合电磁量与微波脉冲的宽度、间隔和数目的变化均呈现一定的谐振特性,且单脉冲激励对电路的影响明显强于多脉冲。与此同时,实验还研究了电路易受电磁干扰的目标点的确定方法。     

开孔矩形腔体电磁泄漏特性的解析研究

本文提出了一种用于计算开孔矩形腔体电磁泄漏场的解析理论模型.该理论模型先基于模式展开法求解封闭腔场,进而依据Bethe小孔耦合理论将泄漏场与封闭腔场用等效偶极子关联.该模型可以考虑波频率、场源位置、开孔位置及场强观测点位置等因素的影响,计算结果与全波仿真结果一致.本文计算分析了相关因素对电磁屏蔽效能的影响规律,并给出了物理解释.结果表明近场屏蔽效能小于远场屏蔽效能,且近场区电场屏蔽效能与磁场屏蔽效能并不相同.     

低反轰多腔热阴极微波电子枪物理设计

 为了开展基于自由电子激光的紧凑型太赫兹源技术研究,获得高品质（强流、低能散、低发射度）电子束,提出了一个低反轰双路微波馈入多腔热阴极微波电子枪的设计方案。用两路独立微波馈入激励微波电子枪,一路由首腔馈入激励首腔和实现阴极表面建场引出电子,另一路由后续腔馈入并通过腔间耦合激励各腔。两路微波互不耦合,通过移相器实现首腔和第2腔之间的相移连续可调。理论模拟结果表明:在一个射频周期内,热阴极微波电子枪的电子反轰功率约8 kW,平均反轰功率仅为1.2 W（重复频率25 Hz和脉宽6 μs）。     

高功率微波与等离子体相互作用理论和数值研究

研究高功率微波与等离子体的相互作用,对于微波放电和电磁兼容研究均具有重要意义.基于波动方程、等离子体的流体力学方程以及波尔兹曼方程,建立高功率微波脉冲与等离子体相互作用的理论模型,并结合等离子体的特征参数,采用时域有限差分方法分析了等离子体电子密度和高功率微波传输特性的变化.结果表明,由于高功率微波的电子加热作用,等离子体中的非线性效应明显,发生击穿使得等离子体电子密度增大,从而导致微波的反射增强,透过率降低.所提出的模型和相关结果对于高功率微波和电磁脉冲防护具有指导意义.     

W波段同轴静磁波荡器自由电子激光优化设计

基于同轴静磁波荡器的自由电子激光主要利用环形电子束与同轴TE模式的相互作用产生电磁辐射,是一种重要的毫米波辐射源。分析了同轴结构作用区内外半径、工作模式、电子束电压、波荡器周期等参数对辐射频率的影响规律,研究了电子束平均半径的选取原则和束波互作用腔的设计方法,设计了辐射频率在W波段的基于同轴静磁波荡器的自由电子激光,并进行了粒子模拟,在电子束电压为720 kV,电子束流为1 kA的情况下,获得了频率107 GHz、辐射功率35 MW的TE01模,束波转换效率为4.9%,束波作用腔总长度小于200 mm,同轴静磁波荡器的磁场幅度0.34 T。     

放电功率变化对电磁波在电感耦合闭式等离子体中的衰减特性

射频电感耦合等离子体(ICP)放电方式能够在较宽的压强范围内产生大面积、密度高的等离子体,在对电磁波衰减应用中具有较大优势。通过研究ICP等离子体与电磁波相互作用的过程,改进闭式等离子体模型,建立电磁波在非均匀等离子体中传播的分层计算模型,对实测诊断分布情形下等离子体与电磁波的相互作用进行研究,得到不同功率条件下电磁波衰减的变化情况;提出射频电感耦合闭式等离子体用于电磁波衰减的方法并实验验证,基于等离子体覆盖金属平板的测量模型,在实验室内搭建了以金属板为衬底的弓形微波反射测试系统,研究了闭式等离子体对4～8 GHz频段范围内微波反射的作用特性,以及不同射频功率对微波反射的影响规律,并将实验测量与计算结果进行对比分析。实验表明,通过功率调节,电感耦合闭式等离子体对5.92～6.8 GHz频带电磁波具有明显的衰减作用。     

超高速碰撞产生电磁辐射的微波诊断

为了诊断超高速碰撞产生的电磁辐射,建立了超高速碰撞产生电磁辐射的实验和微波诊断系统。利用建立的微波诊断系统,进行了碰撞速度分别为4.60和4.66 km/s条件下超高速碰撞LY12铝靶产生电磁辐射的微波诊断,分析了实验中产生电磁辐射与靶板厚度及裂纹数的关系。实验结果表明:在实验条件相近的情况下,靶板厚度越小,产生的微波辐射强度越大 ;微波辐射功率正比于碰撞产生的微裂纹数。同时揭示了热激发产生电子和裂纹的存在为超高速碰撞产生电磁辐射的物理机制。     

W波段分布作用速调管的设计和实验研究

基于运动学理论、感应电流定理和电荷守恒定律,分析了分布作用谐振腔的渡越时间效应,推导了各个谐振腔工作于π模的电子注与微波之间的能量转换系数、电子负载电导和电子负载电纳,计算结果显示采用分布作用谐振腔有利于提高速调管的工作效率.利用三维电磁仿真软件,设计了一款工作于W波段的分布作用速调管.完成了速调管的加工和封接,搭建了测试平台,开展了相关实验研究.实验结果显示,当电子注电压20.8 kV,电流0.3 A,输入功率30 mW时,在中心频率95.37 GHz处,得到了175 W峰值脉冲输出功率,电子效率2.8%,增益34.6 dB, 3 dB带宽大于90 MHz.     

等离子体微带开关特性

 提出一种基于微放电等离子体的微带开关。它是以“时变等离子体”取代微带线射频微机电开关的“金属悬臂”,利用等离子体的导体或介质特性使电磁波沿其表面进行传输或截止,从而实现微带线上电磁波传输的动态控制。等离子体微带开关的基本结构包括用以隔断电磁波的微带间隙和产生片状等离子体的放电装置。放电产生时,电磁波因等离子体导体性通过开关,形成“开”状态;放电停止后,电磁波被微带间隙反射,形成“关”状态。利用CST软件仿真研究了等离子体开关特性,结果表明：这种开关的带宽由等离子体密度决定,隔离度由间隙决定,而工作插损与等离子体密度和电子碰撞频率有关。等离子体位形（宽度、厚度等）对于开关性能也非常重要。