太赫兹波在飞行器等离子体鞘套中的传输特性

针对临近空间飞行器的黑障问题,根据模拟的RAM C-Ⅲ飞行器周围的流场分布结果,计算了等离子体电子密度和碰撞频率,并根据其分布建立了非均匀的等离子体模型。在此基础上,利用散射矩阵方法分析了太赫兹波在等离子体中的传输特性随着等离子体密度、等离子体厚度、等离子体碰撞频率的变化以及外加磁场对传输特性的影响。结果表明,太赫兹波的传输损耗随着等离子体电子密度和等离子体厚度的增加而增加,而碰撞频率的增加会使得透射率先减小后增加。在外加磁场的作用下,左旋太赫兹波的传输特性会得到改善;而对于右旋太赫兹波,磁场的施加会引入吸收峰,并且随着磁感应强度的增加向高频方向移动。     

外磁场作用下的磁等离子体动力学过程仿真

磁等离子体动力学推力器是空间高功率电推进装置的典型代表,磁等离子体动力学过程是其核心工作机制.为深入理解外磁场对其工作特性的影响,本文采用粒子云(particle in cell,PIC)方法结合基于自相似准则的缩比模型,进行外加磁场作用下磁等离子体动力学推力器工作过程的建模仿真,通过与实验结果对比验证模型和方法的可靠性,并重点分析推力器点火启动过程的等离子特性参数分布,以及外磁场和阴极电流对推力器工作性能的影响.研究结果表明:阴阳极放电电弧构建是推力器启动和高效工作的关键步骤;外磁场强度较低工况不利于构建稳定放电电弧,等离子体束流集中于轴线附近,推力主要产生机制是自身场加速;外磁场强度较高时,阴阳极放电电弧稳定,推力产生主要机制是涡旋加速,推力、比冲随外磁场强度线性增大;推力器效率随阴极电流和外磁场强度增大而增大;放电电压随阴极电流增大而增大,但随外磁场强度的增大表现出先减小后增大的趋势.     

外磁场作用下的磁等离子体动力学过程仿真

磁等离子体动力学推力器是空间高功率电推进装置的典型代表,磁等离子体动力学过程是其核心工作机制.为深入理解外磁场对其工作特性的影响,本文采用粒子云(particle in cell,PIC)方法结合基于自相似准则的缩比模型,进行外加磁场作用下磁等离子体动力学推力器工作过程的建模仿真,通过与实验结果对比验证模型和方法的可靠性,并重点分析推力器点火启动过程的等离子特性参数分布,以及外磁场和阴极电流对推力器工作性能的影响.研究结果表明:阴阳极放电电弧构建是推力器启动和高效工作的关键步骤;外磁场强度较低工况不利于构建稳定放电电弧,等离子体束流集中于轴线附近,推力主要产生机制是自身场加速;外磁场强度较高时,阴阳极放电电弧稳定,推力产生主要机制是涡旋加速,推力、比冲随外磁场强度线性增大;推力器效率随阴极电流和外磁场强度增大而增大;放电电压随阴极电流增大而增大,但随外磁场强度的增大表现出先减小后增大的趋势.     

球形及柱形磁化等离子体靶中α粒子能量沉积率分析

基于单粒子理论模型及积分算法,编写了单粒子轨道数值模拟程序———ALFA,分析了柱形和球形两种边界位形磁化等离子体靶中非热α粒子通过库仑碰撞对D-T等离子体加热的能量沉积率。在均匀背景磁场及相同的D-T等离子体密度、温度条件下,柱形边界中非热α粒子能量沉积率比球形边界更高。在相同等离子体温度及密度条件下,α粒子的能量沉积率随磁场的增大而增大,但计算结果表明,磁场的有效作用区域存在明显的上下限值,当等离子体内磁场小于下限阈值时,磁场增加对α粒子能量沉积率的提高贡献不大,而且当等离子体内磁场超过上限阈值后,磁场再增加对提高α粒子能量沉积率的作用也不明显。对不同几何尺寸的磁化等离子体靶,磁场有效作用区域的上下限值不同,靶尺寸越大,相应的上下限阈值越小。提高等离子体密度,可增加α粒子能量沉积率,也能降低磁场有效作用区域的上下限阈值。     

电子回旋共振离子推力器放电室等离子体数值模拟

电子回旋共振离子推力器属于静电型推力器,具有寿命长、比冲高、结构简单、可靠性高等优点,适用于深空探测等长时间空间飞行任务.放电室是一个关键部件,其内部通过电子回旋共振产生等离子体.针对放电室内等离子体流场建立飘移-扩散近似模型,采用迎风格式有限差分法对该模型进行数值求解,得到了放电室内不同时刻的等离子体流场分布及其演化规律.数值模拟结果可以为推力器的设计和实验研究提供有用信息.     

磁化等离子体对平面电磁波吸收特性的数值研究与全波仿真

研究了平面电磁波在磁化、稳定、二维、非均匀等离子体中的传播特性;采用等效输入阻抗方法计算非均匀磁化等离子体层对不同模式入射电磁波的功率吸收情况。结果表明,电子数密度、碰撞频率和外磁场大小是等离子体对电磁波功率吸收的主要影响因素。采用等效介电常数的方法模拟等离子体特性,代入有限元软件进行平面电磁波入射等离子体仿真,得到了非寻常波与右旋极化波的吸收特性。根据数值计算和全波仿真结果可知,当等离子体密度为1017 m-3、碰撞频率2.5 GHz、外加磁场的磁感应强度为0.15 T时,磁化等离子体对电磁波有强烈的吸收特性。     

有限磁场中等离子体圆柱波导的传播特性

分析了有耗介质中等离子体圆柱波导在有限外加磁场中的传播特性.重点讨论了波导传播常数随等离子体参数、介质参数和外加磁场的变化.分析结果表明，有限强磁场中的等离子体波导的传播特性比无外磁场或外加磁场为无穷大时具有更强的控制能力. 关键词：     

原子过程对极向CXRS测量影响的数值模拟

考虑到原子过程的影响，对极向CXRS测量过程进行了数值模拟.计算结果表明由于受辐射率 、回旋运动以及离子辐射寿命的影响，测量的结果会在离子逆磁漂移方向高估了离子的旋转 速度，而低估了离子的温度.这种偏差会随着离子温度的升高、磁场的增加而增大.相对与原 子过程的影响来说，由于等离子体非均匀性所引起的速度和温度的偏离很小，可以忽略不计 . 关键词： 原子过程 数值模拟 等离子体     

磁场对螺旋波等离子体波和能量吸收影响的数值研究

本文考察在径向电子数密度呈抛物形分布的情况下,外加稳恒磁场,射频通过螺旋波天线在等离子体中激发电磁波的传播性质.采用线性扰动波假设,数值求解Maxwell方程组,得到80—800 G(1 G=10-4T)磁场条件下等离子体中径向电、磁场强度及能量沉积密度的分布情形.计算结果表明,磁场增大(80→800G)时,螺旋波受到的阻尼较小,可深入等离子体传播;Trivelpiece-Gould(TG)波受到的阻尼增大,在等离子体-真空边界处衰减增强;整体的能量吸收向边界集中.磁感应强度小于100 G时,TG波可深入主等离子体区传播,等离子体径向能量吸收相对均匀.     

氩气感应耦合等离子体速度与温度数值模拟

为了获得用于研究再入飞行器热防护系统的感应耦合等离子体风洞流场数据，基于流场、电磁场和化学场的多场耦合建立了非平衡态感应耦合等离子体数值模型。利用该模型对不同入口质量流率和不同工作压力下的感应耦合等离子体进行了数值模拟，得到了相应工作参数下感应耦合等离子体温度与速度的分布特性。计算结果表明：等离子体中心线上的速度随着入口质量流率的增大而增大，而随着工作压力的增大而减小；同时，等离子体中心线上的温度随着入口质量流率的增大而减小，而随着压力的增大先减小后增大。这些结果可为感应耦合等离子体风洞优化设计及其工业应用提供理论指导。     

一种耦合外部电路的脉冲感应推力器磁流体力学数值仿真模型

为了深入研究脉冲感应推力器的工作原理,预测其推进性能,建立了一种耦合外部电路的磁流体力学模型,实现了对加速通道内等离子体二维流场结构演化过程及驱动电路放电过程的同步耦合求解.模拟计算所得美国MK-1推力器加速通道内的等离子体瞬态参数分布及推力器比冲、效率等性能参数均与实验数据一致;计算结果成功复现了推力器的工作物理图景.借助这一新模型,实现了对电路-等离子体双向耦合作用的定量分析,分析结果表明:耦合等离子体导致驱动电路等效电阻增大,电感减小;激励线圈与等离子体之间的互感随等离子体整体远离线圈表面而逐渐减小.     

The effects of static magnetic field on microwave absorption of hydrogen plasma in carbon nanotubes: A numerical study

We theoretically investigate the microwave absorption properties of hydrogen plasma in iron-catalyzed highpressure disproportionation-grown carbon nanotubes under an external static magnetic field in the frequency range 0.3 GHz to 30 GHz, using the Maxwell equations in conjunction with a general expression for the effective complex permittivity of magnetized plasma known as the Appleton–Hartree formula. The effects of the external static magnetic field intensity and the incident microwave propagation direction on the microwave absorption of hydrogen plasma in CNTs are studied in detail. The numerical results indicate that the microwave absorption properties of hydrogen plasma in iron-catalyzed high-pressure disproportionation-grown carbon nanotubes can be obviously improved when the external static magnetic field is applied to the material. It is found that the specified frequency microwave can be strongly absorbed by the hydrogen plasma in iron-catalyzed high-pressure disproportionation-grown carbon nanotubes over a wide range of incidence angles by adjusting the external magnetic field intensity and the parameters of the hydrogen plasma.     

The effects of a static magnetic field on the microwave absorption of hydrogen plasma in carbon nanotubes： a numerical study

We theoretically investigate the microwave absorption properties of hydrogen plasma in iron-catalyzed high-pressure disproportionation-grown carbon nanotubes under an external static magnetic field in the frequency range 0.3 GHz to 30 GHz, using the Maxwell equations in conjunction with a general expression for the effective complex permittivity of magnetized plasma known as the Appleton-Hartree formula. The effects of the external static magnetic field intensity and the incident microwave propagation direction on the microwave absorption of hydrogen plasma in CNTs are studied in detail. The numerical results indicate that the microwave absorption properties of hydrogen plasma in iron-catalyzed high-pressure disproportionation-grown carbon nanotubes can be obviously improved when the exter- nal static magnetic field is applied to the material. It is found that the specified frequency microwave can be strongly absorbed by the hydrogen plasma in iron-catalyzed high-pressure disproportionation-grown carbon nanotubes over a wide range of incidence angles by adjusting the external magnetic field intensity and the parameters of the hydrogen plasma.     

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%.     

Particle‐in‐Cell Simulations for Ion Thrusters

The Particle‐in‐Cell (PIC) method was used to study two different ion thruster concepts: Hall Effect Thrusters (HETs) and High Efficiency Multistage Plasma Thrusters (HEMPs), in particular the plasma properties in the discharge chamber due to the different magnetic field configurations. Special attention was paid to the simulation of plasma particles fluxes on the thrusters inner surfaces. In both cases PIC proved itself as a powerful tool, delivering important insight into the basic physics of the different thruster concepts.The simulations demonstrated that the new HEMP thruster concept allows for a high thermal efficiency due to both minimal energy dissipation and high acceleration efficiency. In the HEMP thruster the plasma contact to the wall is limited only to very small areas of the magnetic field cusps, which results in much smaller ion flux to the thruster channel surface as compared to HET. (© 2009 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

微波大气击穿阈值的理论研究

本文通过对使用有效场强(或均方根场强)得到的微波大气击穿阈值表达式进行讨论, 指出其推导中所做的假设及这些假设应用到微波大气击穿过程中存在的问题. 然后分别使用解析理论和数值模拟对微波大气击穿过程中的有效电子温度变化过程和击穿阈值进行研究, 并将其与直流电场进行比较. 分析发现在高气压下, 电子能量转移频率高, 有效电子温度随电场大幅振荡, 由于电离频率随有效电子温度的增长率大于电子能量损失随有效电子温度的增长率, 因此在高气压时, 微波大气击穿阈值低于使用有效场强的击穿阈值. 通过大量分析, 给出了理论推导和数值模拟得到的微波大气击穿阈值拟合表达式.     

Propagation of terahertz waves in nonuniform plasma slab under "electromagnetic window"

The application of magnetic fields, electric fields, and the increase of the electromagnetic wave frequency are up-and-coming solutions for the blackout problem. Therefore, this study considers the influence of the external magnetic field on the electron flow and the effect of the external electric field on the electron density distribution, and uses the scattering matrix method (SMM) to perform theoretical calculations and analyze the transmission behavior of terahertz waves under different electron densities, magnetic field distributions, and collision frequencies. The results show that the external magnetic field can improve the transmission of terahertz waves at the low-frequency end. Magnetizing the plasma from the direction perpendicular to the incident path can optimize the right-hand polarized wave transmission. The external electric field can increase the transmittance to some extent, and the increase of the collision frequency can suppress the right-hand polarized wave cyclotron resonance caused by the external magnetic field. By adjusting these parameters, it is expected to alleviate the blackout phenomenon to a certain extent.