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%.     

法拉第手征介质反射电磁波的极化特性研究

从麦克斯韦方程出发严格推导了均匀介质与法拉第手征介质交界面处电磁波反射公式.通过解析的方法讨论了不同极化状态下反射电磁波的极化特性与法拉第手征介质电磁参数之间的关系.针对部分具体实例进行了计算,计算结果与理论预测相符合. 关键词： 法拉第手征介质 反射电磁波 极化特性     

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。     

斜入射非线性电离层Langmuir扰动的电磁波传播特性

基于广义Zakharov模型,结合斜入射等离子体的时域有限差分(FDTD)方法与双流体力学方程,通过由二维麦克斯韦方程等价转换的一维麦克斯韦方程,与等离子体流体力学方程建立了一个电磁波以不同角度入射电离层传播的数值模型.分析推导出TE_z波在斜入射非线性电离层等离子体的支配方程,然后推导了适用于计算电离层电磁波传播特性的FDTD算法.通过仿真来证明该方法在较小倾角下,电磁波对电离层加热形成Langmuir扰动及其传播特性的准确性和有效性.结果表明,在小角度入射下,大功率高频电磁波在电离层等离子体中的O波反射点附近激发出了Langmuir波,同时波粒相互作用导致O波转换为Z波并向电离层更高区域传播.本文进一步研究了基于电离层等离子体的电磁波传播特性,为全面深入分析电离层Langmuir扰动对电离层电波传播特性影响奠定数值算法的基础.     

超声波电喷推力器羽流中和特性研究

超声波电喷推力器主要应用在小卫星(10 kg)平台,为解决该类型推力器的羽流在中和过程中产生的推力偏角以及能效低的问题,对超声波电喷推力器的羽流中和过程进行数值研究.为实现电喷推力器羽流特有物理过程的仿真,建立了一种带电液滴中和模型(NECD模型),对电子-正电液滴的中和过程进行捕捉,包括带电粒子的输运过程、电子液滴碰撞过程以及液滴的破碎与重组等过程;为验证模型的可行性和精度,开展推力测量和羽流高速照相试验,以工况相同试验和仿真结果进行对比.结果显示,该模型的综合计算误差在20%左右,在不同工况下可以和试验值形成趋势上的符合.基于该计算模型,对放电功率为2 W、放电电流为2 m A的超声波电喷推力器进行羽流输运过程的数值模拟,获得表征羽流中和特性的几种参数分布,包括数密度、电荷密度、液滴体积大小等,并统计出各类能耗所占比例,解释了推力偏角和能效低问题的内在机理以及为相应优化提供参考.     

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。     

径向磁场对霍尔推力器性能影响的数值模拟研究

霍尔推力器由于推力密度大、结构简单等特点,在商业航天领域具有广泛的应用前景.为了进一步提升小功率霍尔推力器的性能,克服低轨卫星用小功率霍尔推力器性能受限于输入功率和最大磁场强度的问题,本文利用数值模拟和理论分析方法研究了霍尔推力器放电通道中径向磁场分布对推力器性能的影响.在轴向磁场分布和最大径向磁场强度一定的情况下,通过改变径向磁场梯度实现径向磁场对推力器性能影响的研究.结果表明,在放电参数、推进剂流率以及轴向磁场不变的情况下,加速区的电势随着径向距离的增加而减小.因此,靠近推力器放电通道内壁侧的径向磁场梯度越大,离子沿着轴向漂移到达推力器出口的动能越大,推力器的推力越大.本文的研究结果为霍尔推力器的磁场设计,性能优化提供了理论支撑.     

多模式离子推力器输入参数设计及工作特性研究

针对我国小行星探测任务对电推进系统离子推力器设计要求,基于等离子体基本理论建立了多模式离子推力器输入参数与输出特性关系,完成各工作点下屏栅电压、束电流、阳极电流、加速电压,流率等输入参数设计,采用试验研究和理论分析的方法研究了推力器工作特性.试验结果表明:在设计输入参数下,23个工作点推力最大误差小于3%,比冲最大误差小于4%,在功率为289—3106 W下,推力为9.7—117.6 mN,比冲为1220—3517 s,效率为23.4%—67.8%,电子返流极限电压随着推力增加单调减小,最小、最大推力下分别为-79.5 V和-137 V,放电损耗随着功率增大从359.7 W/A下降到210 W/A,并在886 W时存在明显拐点,效率随功率增大而上升,在1700 W后增速变缓并趋于稳定,在轨应用可综合推力器性能、任务剖面要求、寿命,合理设计输入参数区间,制定控制策略.     

在GaAs-Al矩形光栅界面上表面增强二次谐波产生

我们以GaAs-Al矩形光栅界面为例具体推导了二次谐波产生的公式.依据Bloembergen和Pershan关于非线性介质的理论,用微扰论方法求解了麦克斯韦方程.理论公式和数值计算均表明,表面增强二次谐波起源于共振激励表面电磁波.     

对-谐条件下不存在引力辐射和引力波的研究

证明在对角度规谐和条件(对谐条件)下,Vierbein表述的行波RiemannChristoffel曲率张量的所有分量为零;引力波的能量动量、功率流密度、辐射总功率和张力张量均为零.因而时空平直,既不存在引力辐射,也不存在任何形式的引力波.最后指出了引力理论与量子理论的内在联系.     

Prediction and experimental measurement of the electromagnetic thrust generated by a microwave thruster system

A microwave thruster system that can convert microwave power directly to thrust without a gas propellant is developed. In the system, a cylindrical tapered resonance cavity and a magnetron microwave source are used respectively as the thruster cavity and the energy source to generate the electromagnetic wave. The wave is radiated into and then reflected from the cavity to form a pure standing wave with non-uniform electromagnetic pressure distribution. Consequently, a net electromagnetic thrust exerted on the axis of the thruster cavity appears, which is demonstrated through theoretical calculation based on the electromagnetic theory. The net electromagnetic thrust is also experimentally measured in the range from 70 mN to 720 mN when the microwave output power is from 80 W to 2500 W.     

离子推力器推力密度特性

离子推力器推力密度分布对航天器轨道维持和修正具有重要影响.采用粒子模拟-蒙特卡罗碰撞方法模拟束流等离子体输运过程,分析束流多组分粒子喷出数量和速度等微观参数,并计算得到单孔束流推力,结合放电室出口等离子体密度分布,进一步对推力密度分布特性分析,最后开展实验验证.研究结果显示:束流中单价离子、双荷离子以及交换电荷离子的推力贡献比分别为84.63%,15.35%和1.82%,可见推力主要来源于束流中的单价离子和双荷离子,交换电荷离子对推力贡献很小;推力密度分布具有较好的中心轴对称性,从推力器中心沿着径向先快速下降后趋于缓慢;与实验结果对比,经验模型相对误差约为4.1%,数值模型相对误差约为2.8%,相比经验模型,数值模型具有更好的准确性.研究结果可为离子推力器推力密度分布均匀性等优化提供参考.     

高频感应等离子体流动模型与微型电推进器流场特性分析

微型射频离子推力器具有结构简单、工作寿命长、推力动态范围大、性能调节响应灵敏等特点,是国际微电推进领域的研究热点之一.射频离子推力器电离室内的感性耦合放电等离子体特性和推力器的性能密切相关.为此,文章建立了低气压、小尺寸微型射频离子推力器电离室内感性耦合等离子体流体模型,开展了电磁场、流场、化学反应浓度场的多物理场耦合仿真分析,并研究了等离子体放电特征参数随推进剂工质气压、放电吸收功率、射频频率以及线圈匝数等因素的变化规律.结果表明,推进剂工质气压、放电吸收功率是调节微型射频离子推力器性能的主要因素,该研究为综合调控微型射频离子推力器的工作性能奠定了良好的基础.      

Particle‐in‐cell simulation of an optimized high‐efficiency multistage plasma thruster

Electric propulsion attracts increasing attention in contemporary space missions as an interesting alternative to chemical propulsion because of the high efficiency it offers. The High‐Efficiency Multistage Plasma thruster, a class of cusped field thruster, is able to operate at different anode voltages and operation points and thereby generate different levels of thrust in a stable and efficient way. Since experiments of such thrusters are inherently expensive, multi‐objective design optimization (MDO) is of great interest. Several optimized thruster designs have resulted from a MDO model based on a zero‐dimensional (0D) power balance model. However, the MDO solutions do not warrant self‐consistency due to their dependency on estimation from empirical modelling based on former experimental studies. In this study, one of the optimized thruster designs is investigated by means of particle‐in‐cell (PIC) analysis to examine the predicted performance characteristics with self‐consistent simulations. The 0D power balance model is used to develop additional diagnostics for the PIC simulations to improve the physics analysis. Using input parameters for the 0D power balance model from the PIC simulations allows further improvement for the design optimization.     

Magnetic confinement studies for performance enhancement of a 5-cmion thruster

Several magnet assemblies relevant to ion thrusters were investigated using a numerical code to calculate the primary electron mean containment time. An analytical model was used to determine, consistently with the plasma stability condition, the ion thruster performance parameters, namely, the plasma ion energy cost, the plasma density, the plasma potential, and the doubly charged ion production rate as a function of the propellant mass flow rate. The numerical code was checked by reproducing the experimental performance parameters obtained from a 7-m checkerboard ion thruster. Using this approach, performance curves were obtained for a 5-cm ion thruster devised to produce a 1-mN thrust with low power and propellant consumption     

使用不同工质的会切磁场等离子体推力器

会切磁场等离子体推力器是一种利用磁镜约束等离子体产生推力的新型推力器,具有寿命长、推力大范围连续可调等优点,在无拖曳控制领域具有较大的应用前景.分别采用Xe,Kr和Ar三种不同工质,开展了会切磁场等离子体推力器实验.首先,对所用的推力器进行了简要的原理和设计介绍;然后,对三种工质的点火电压分别进行了测试,发现Xe是最容易点火成功的,Kr和Ar点火难度较大.在阳极电流、推力、效率和比冲等性能方面,三种工质在同等条件下也存在明显的区别.分析发现,三者的工质利用率高低导致了性能上的差别,通过提升通流密度能够大幅提升Kr和Ar的工质利用率.在羽流结构方面,法拉第测量结果表明三者都存在明显的空心羽流,且离子电流密度峰值出现的角度随着原子量的减小而逐渐减小.     

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。      

多模式离子推力器栅极系统三维粒子模拟仿真

栅极系统是离子推力器推力产生的主要部件,推力器的性能和寿命都与栅极系统密切相关.对于具有多种工作模态的离子推力器,基于电流电压入口的仿真可以有效评估推力器的工作状况.采用三维粒子模拟方法对两栅极系统等离子体输运过程进行了仿真,获得了不同模式下的推力器性能参数,对比NSTAR的在轨测试参数,验证了模型的正确性;分析了工作模式变化对栅极区域电场分布和束流状态的影响以及离子推力器多模式设计需求.分析结果表明:远离栅极系统的外凸型屏栅鞘层和内凹型零等势面、低鞍点电势值和平缓的下游电势分布,有利于提高栅极系统离子通过率,抑制电子返流,减小Pits-and-Grooves腐蚀,是离子推力器工作模式的设计方向;提高束流电压会导致发散角损失增大,但可扩展栅极工作电流范围,在束流强度较大的模式下,使束流具有较好的聚焦状态,有利于减小Barrel腐蚀.研究结果为多模式离子推力器工作模式设计提供了参考.