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.     

基于双向偏振态激光诱导荧光方法的离子速度分布函数测量

为了评估利用发散磁场构型双电层效应的紧凑式螺旋波等离子体推力器的离子加速效果,探索了一种双向偏振态激光诱导荧光测量方法来对螺旋波等离子体源近出口端的离子速度分布函数进行测量。实验中采用Ar作为螺旋波等离子体源工质,中心波长为611.662 nm的激光以轴向方式注入等离子体,以激励一价Ar离子获得波长为461.086 nm的诱导荧光光谱。为了消除磁化等离子体中逆塞曼效应对激光诱导荧光光谱带来的分裂影响,通过四分之一波片将入射激光分别调制为左旋和右旋圆偏振态,并对其诱导光谱进行了分别测量,结果发现不同磁场强度下两次测量结果的偏移值与理论高度吻合,证明了双向偏振态激光诱导荧光测量方法的理论可行性。进一步,采用高斯型滤波器反卷积算法从测量光谱中去除自然展宽和能量饱和效应,再通过对两次相反偏振态测量结果进行平移处理消除逆塞曼效应,从而分离得到实际的多普勒效应。测量了射频能量600 W,不同轴向位置、磁场大小以及气体压力下的螺旋波Ar等离子体激光诱导荧光光谱,结果表明在该实验条件下离子并没有因双电层效应而达到期望值的加速效果,离子速度的形成可能只是一种磁约束作用下的双极电场所导致,并不能产生好的推力性能。     

激光烧蚀聚甲醛的热-化学耦合模型及其验证

针对激光辐照聚甲醛的烧蚀现象,建立了一种包含升温、相变、热解及热解产物飞散等过程的热-化学耦合模型.采用无规热解模型描述聚甲醛升温后的热解过程,给出了不同热解率下热解产物的组成.利用基团贡献法计算烧蚀产物组分的热力学性质,并按照混合法则确定烧蚀产物混合物的名义标准沸点和临界温度.当烧蚀产物温度低于临界温度时,以液态蒸发机理表征热解产物的烧蚀,用Knudsen层关系式计算烧蚀质量;反之热解产物飞散由气体动力学机理控制,采用间断守恒关系及Jouguet条件描述烧蚀进程.本模型可给出激光辐照下聚甲醛的烧蚀质量、烧蚀温度、烧蚀产物组成和不同机理的烧蚀比率.与实验结果对比表明,当激光能量密度小于30 J/cm2时本模型能准确地描述烧蚀过程.     

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.     

A radial non-uniform helicon equilibrium discharge model

Helicon discharges have attracted great attention in the electric propulsion community in recent years. To acquire the equilibrium properties, a self-consistent model is developed, which combines the helicon/Trivelpiece-Gould （TG） waves- plasma interaction mechanism and the plasma flow theory under the confinement of the magnetic field. The calculations reproduce the central peak density phenomenon observed in the experiments. The results show that when operating in the wave coupling mode, high magnetic field strength B0 results in the deviation of the central density versus B0 from the linear relationship, while the density rise becomes flatter as the radiofrequency （rf） input power Prf grows, and the electron temperature Te radial profile is mainly determined by the characteristic of the rf energy deposition. The model could provide suggestions in choosing the B0 and Prf for medium power helicon thrusters.