多针-网电极离子风激励器推力与推功比的实验研究

本文搭建了一种无摩擦气垫悬浮测试平台测量了19针和31针-网电极离子风激励器产生的推力特性, 为多针-网电极离子风激励器作为新型动力源提供动力控制方法. 通过研究多针-网间隙、针-针间距、针尖曲率半径和电晕电压电流对离子风激励器推力特性的影响, 提出了在低功耗下产生较大推力的方法, 改善离子风激励器对低功耗与大推力的需求不能同时满足的现状. 关键词： 多针-网电极 离子风 推力 推功比     

缩比间隙中辉光放电相似性的初步研究

为了研究缩比实验在气体放电中的有效性, 对缩比间隙中的低气压氩气放电进行了数值模拟. 根据气体放电相似性的猜想, 如果间隙气压p和间隙距离d的乘积为常量, 即p₁d₁=p₂d₂, 并且约化电场E/p 在两个间隙中的空间分布相同, 那么这两个放电间隙的放电特性存在相似性. 数值模拟中设置三个缩比间隙: 气隙A的长度为30 mm, 气压为1 Torr (1 Torr=133.322 Pa); 气隙B的长度为15 mm, 气压为2 Torr; 气隙C的长度为10 mm, 气压为3 Torr. 仿真结果表明, 三个间隙均为辉光放电, 并存在明显的阴极位降区. 间隙A, B, C 的阴极位降区的厚度d_C分别为2.71, 1.35和0.87 mm, 相对应的pd值几乎相同, 即pd_C≈2.70 Torr·mm. 这与氩气辉光放电Paschen曲线最低点(pd≈2.86 Torr·mm)相近. 缩比间隙的放电参数的特性(如工作电压、电场、电流密度、电子密度和离子密度的沿“空间”px的分布)的数值计算结果与放电相似性猜想所预计的结果一致. 所以, 可以认为放电相似性猜想适用于低气压氩气缩比间隙的辉光放电. 关键词： 放电相似性 辉光放电 缩比间隙     

微型电子回旋共振离子源的全局模型

微型电子回旋共振(electron cyclotron resonance, ECR)离子源在紧凑型离子注入机、小型中子管、微型离子推进器等领域有着十分广泛的应用.为了深入认识微型ECR离子源的工作机理,本文以北京大学自主研制的一款微型氘离子源作为研究对象,以氢气和氘气放电形成的等离子体为例,发展了一种基于粒子平衡方程的全局模型.研究结果表明,该离子源束流成分与离子源的运行气压和微波功率有着很强的依赖关系.对于氢气放电等离子体,微波功率低于100 W时,离子源可以分别在低气压和高气压情况下获得离子比超过50%的H~+₂离子束和H~+₃离子束;当微波功率高于100 W时,可以在很宽的运行气压范围内,获得质子比超过50%的束流.因此,提高微波功率是提高微型离子源质子比的关键.对于氘气放电等离子体, 3种离子比例对运行气压和微波功率的依赖关系与氢气放电等离子体的规律基本一致.但是在相同的运行条件下, D~+比例比H~+比例高10%—25%.也就是说,在微型氘离子源的测试和优化过程中,可以利用氢气代替氘气进行实验,并将质子比测量结果作为相同条件下氘离...     

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。     

离子振荡对低压脉冲负电性放电条件的影响

为了研究该离子振荡及其对低气压负电性放电自持条件的影响，建立了一个整体模型描述低气压正负离子等离子体中离子振荡与少量电子的相互作用. 在模型中引入参数r描述电子流体与电极碰撞后的动量保存(或损失)的程度. 发现体系存在一个临界值r=r_c,它导致了两种不同性质的电子损失机理. 另一临界值r=4r_c决定了两种不同的电子密度随时间增长的阈值. 这使得该阈值随r非单调变化, 进而导致RF负电性脉冲放电主动放电阶段初期的自持放电条件参数空间中可以存在间隙. PIC-MCC 关键词： 负电性放电 脉冲放电 离子振荡     

空气中大气压下均匀辉光放电的可能性

利用介质阻挡电极结构,对101325×105Pa气压下空气间隙中的放电进行了实验研究,数值模拟计算了实验条件下电子雪崩的发展过程.结果表明:对于长度不大于2mm的空气间隙,可能实现辉光放电.对于长度不小于5mm的空气间隙,如果不能设法降低放电场强,放电必然是流注形式,不可能实现辉光放电.另外,实验结果未能验证“离子捕获”机理降低放电场强而实现辉光放电的正确性 关键词： 大气压辉光放电 电子雪崩 流注     

线-铝箔电极电晕放电激励器的推力理论与实验研究

空气电晕放电离子风激励器无需旋转部件, 仅通过消耗电能就能直接产生驱动力, 它是一种新型的动力技术, 备受国内外航空航天界的广泛关注. 目前对空气电晕放电离子风激励器的推力产生机理虽有各种解释, 但是现有理论均不能统一各种条件下的实验结果, 仍需要开展进一步的分析与研究. 本文以线-铝箔电极电晕放电激励器为研究对象, 通过实验研究发现作用在线电极与铝箔电极上的静电力不对称, 而且改变铝箔电极纵向高度和气压均能影响激励器的推力大小; 通过理论分析, 考虑电晕层与空间电荷的影响, 建立了线-铝箔电极电晕放电激励器的推力计算模型, 其计算值与实测值比较一致. 基于上述实验现象与理论建模分析, 本文认为线-铝箔电极电晕放电激励器的推力主要来源于线电极电晕产生的空间电荷对电极系统产生了不对称静电力作用, 使激励器出现净静电力作用.     

外粒子源注入下气体放电过程的模拟研究

利用Geant4程序建立外源注入式、低气压气体开关物理模型,通过模拟计算电子增益与极板间电场强度、电子增益与极板间隙距离的函数关系验证了模型的正确性。计算了气体种类、气体压强对电子增益的影响,分析得到形成自持放电所需最小入射电子数,计算结果表明:在相同的气压及电场条件下,氮气的电子增益远大于氦气,这与氦气的高电离能性质相吻合; 随气压增大,电子增益呈非线性增长; 为实现自持放电,外源注入电子数面密度为1×105~2×105 /cm2。     

辅助放电针对气体间隙直流自击穿特性的影响

为降低气体放电间隙直流条件下自击穿电压分散性,尽可能不影响其自击穿电压,基于环形电极放电间隙,设计了一种在阴极中心植入辅助放电针的辅助放电电极结构。通过电场仿真,研究了辅助放电针直径、长度和顶部倒角对放电间隙场畸变的影响。实验研究了放电间隙无辅助放电针和植入辅助放电针后,其在干燥空气和SF₆气体中的直流自击穿特性。结果表明：辅助放电针直径越小、长度越长,电极环对其电场屏蔽作用越弱,放电间隙场畸变强度越大;辅助放电针对SF₆气体放电间隙直流自击穿电压影响较小,随着场畸变系数的增大,同一气压下干燥空气自击穿电压下降百分数为SF₆气体自击穿电压下降百分数的2～3倍;辅助放电针对直流条件下干燥空气和SF₆气体放电间隙自击穿电压稳定性具有有益作用,分散性减小百分数较无辅助放电针结构均提高约25%。     

大气压脉冲调制射频氩气放电等离子体特性的数值研究

基于等离子体流体理论,建立了大气压脉冲调制射频氩气放电的一维流体模型。通过数值模拟的方 法研究了放电参数(放电电极间距、射频频率)对氩等离子体特性的影响。研究结果表明：当电压固定时,随着电 极间距的增加,等离子体区逐渐增大,最大电子密度也增加,在 0.20cm 达到最大值后略有降低;放电电流密度 与输入功率密度随着电极间距的增加而增加;鞘层区电子温度随着电极间距的增加而降低;在脉冲开启前期,等 离子体区电子温度随着电极间距的增加而增加,但当脉冲开启后期,电极间距对等离子体区电子温度影响较小。 不同射频频率下最大电子密度随电极间隙的增加而减小,也具有一个最优值。      

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.     

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%.     

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。     

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     

On the negative corona and ionic wind over water electrode surface

The DC corona discharge in air and the induced ionic wind were investigated in the needle-to-water system at atmospheric pressure. The water deformation was measured under various conditions, and wind pressure and active areas were estimated accordingly. The effects of applied voltage, gap spacing and tip radius on the corona ionic wind were studied and the qualitative analysis was provided. Self-rotation of corona discharge was observed in experiments. The results show that higher voltage or electric field strength results in a stronger ionic wind. The active area increases with applied voltage below a voltage threshold. There is an optimal gap distance for a wider as well as stronger ionic wind and blunter needle we used leads to an enhancement on both the active area and the wind strength. The wind velocity reaches 7 m/s at optimized condition in the present system. The rotation of corona discharge helps to improve the active area and uniformity of the treating area which may be associated with the chemical reaction of the water surface.     

Effect of cylinder electrode arrangement on the ionic wind properties of needle–cylinder electrodes

Needle–cylinder electrodes designed to generate ionic wind have been explored experimentally. The increase of the gap distance between needle and cylinder from 4 mm to 16 mm cause an increase of the ionic wind velocity from 1.1 m/s to 2.46 m/s. The opposite behavior was observed when this distance lengthened from 18 to 28 mm. At the same time, a step voltage was used to increase the ionic wind velocity up to 3.6 m/s. These results indicate that electrode arrangement is very important to maximize the ionic wind velocity.     

Electrohydrodynamic force produced by a corona discharge between a wire active electrode and several cylinder electrodes – Application to electric propulsion

Low-speed electric propulsion systems for long-duration near-space travels by using solar energy could be based on the electrohydrodynamic force produced inside a corona discharge. This paper is a contribution to a better understanding of these types of thrusters, in order to enhance the produced thrust and their electromechanical effectiveness. Three different simple designs are experimentally studied and compared. The first one is composed of a wire active electrode and a single cylinder grounded one. For the second three-electrode design, the single grounded cylinder is replaced by two cylinders. Finally, the last design is composed of an active wire supplied by a positive voltage, two grounded electrodes and two others cylinders at a negative voltage. On one hand, results show that the use of two grounded electrode instead of a single one results in an increase of the discharge current. Moreover, whatever the electrode gap d, the current-to-thrust conversion is more effective with the three-electrode design. It changes from 31 to 58 N/A (+87%), from 74 to 85 N/A (+15%), and from 104 to 120 N/A (+15%), for electrode gaps d = 10, 20 and 30 mm, respectively. The thruster effectiveness θ is improved by 2 mN/W. On the other hand, the use of two collecting electrodes supplied by a negative high voltage does not result in an effectiveness enhancement because the power consumption is significantly increased.