一氧化二氮排放的全球建模:螺旋形等离子体推进器的应用程序 - raybet雷竞app,雷竞技官网下载,雷电竞下载苹果

文摘

全球(体积平均)模型与N₂O放电用于设计和研究电力推进应用,特别是螺旋形等离子体推进器美联储与纯N₂O和N₂/ O₂包括空气混合物。结果N₂O喂养相比,讨论有关一个空中像N₂/ O₂混合喂养。观察到一个有趣的相似之处。N的比较₂O模型结果与基于“增大化现实”技术的展示了N低电离电子温度较高的比例₂O推进剂。

1。介绍

全球(体积平均)模型(GM)构思建模的排放由N₂O, N₂/ O₂混合物包括4:1 (N₂]:[O₂]空中像的1)应用于电力推进装置的纯N₂O (N)₂/ O₂喂食。主要结果通过该模型允许描述的“核心”中部地区部分螺旋形等离子体推进器(HPT)提出和讨论。选定的尺寸是相同的与以前的工作解决Ar美联储HPT [2),即一个圆柱体的长度cm和半径厘米半径与等离子体的“核心”约0.3厘米。功能被限制在一个低压区,3毫托30毫托,吸收能力不同25 W到1000 W。注意,压力和功率范围已经扩大了在与使用的值(2)治疗的Ar美联储HPT张成只有2毫托10毫托地区的压力和25 W到150 W的吸收能力。

建模应用的类型,这非常类似于一个我们最近使用的设计和描述美联储氩HPT的2),但考虑详细的原子和分子结构和碰撞数据关于N₂O和其产品。虽然本文是面向一个相当热等离子体推进器,建模中包含的等离子体推进器的“衣钵”外部和/或其他低温等离子体的应用程序,非常类似于一个应用于等离子体反应器(PR)的(2可以以简单的方式获得。

除了评估和物种的密度在当下的“核心”地区的N₂啊喂,通用汽车进一步应用于模型是一个空中像美联储HPT推进器混合物。这允许一个适当的设计和研究空气美联储HPT推进器,给在各种条件下的密度和物种。N的比较₂O美联储HPT属性的美联储的空气和美联储的基于“增大化现实”技术已经成为可能,通过使用当前模型和描述的一2]。结果HPT的喂养各种混合物原则上每个组成百分比计算的基础上。然而,必须注意只要血浆成分相互作用。在这种情况下,因为选民之间的反应和重要的能量传递,计算百分比没有更容易接受。遇到这样一个值得注意的情况下,例如,在Ne / Ar混合物被描述在3]。

一般通用的描述和特征用于N₂O, N₂/ O₂混合喂养遵循这些的1),这里不重复。然而,我们注意到,简化碰撞能量损失的物种,关于无碰撞的朗道阻尼机制相对较低的压力由螺旋波等离子体加热,提出了(4)是用于能量损失HPT的“核心”地区。双极性扩散系数的修改由于磁场的存在完全一致的HPT可能认为,通过使用方程如第五章中提供的4]。这样的修改并不适用。相反,plasma-wall反应速率的一个简单因素,考虑离子和中性物种损失从“核心”到“衣钵”地区(通常是中性离子为5%和30%),已经使用,就像在(2]。注意,我们在这里使用稍微修改形式的功率平衡方程,包括电离条件而不是复合的,哪个更适应高度电离的等离子体包含分子。中性的气体温度为400 K,但是增加了气体温度与吸收能力也可以考虑。同时,能量损失从单电离的离子和两次电离离子碰撞被忽视,但离子温度也考虑通过一个额外的术语离子压力。这里的离子温度是相同的所有类型的离子,这是不同的压强的函数。

赫利孔山来源已经通常用于生成离子空间推进。文献[5),包含的功能概述和最近的应用程序,包括一个扩展的参考书目。描述和诊断的低功耗和小形式HPT最近提出氩喂养(6和以前的基于“增大化现实”技术,N₂,和空气美联储minihelicon等离子体推进器(7]。高功率电力推进(EP)是解决使用大HPT形式因素;见,例如,(8美联储)的基于“增大化现实”技术的大直径高密度螺旋浆设备。此外,N₂O, N₂在传统的霍尔效应推进器(HET)之前暴露于大气中预计作为杂质(9]。

使用大气推进剂也在研究其他比HPT推进器(10),作为长寿的创新的解决方案(没有推进剂有限)低地球轨道(LEO)和非常狮子座任务11]。一个有趣的研究空气成分在不同的海拔是包含在11),显示一个非常重要的N₂/ O₂百分比变化。“空中像”成分通常用于本文只关注海平面空气成分,但我们的模型很容易适用于其他混合物。最近获得的研究结果N₂/ O₂内存EP为狮子座操作,基于目前的通用汽车,将在其他地方发表。进一步验证HPT和HET型推进器全球建模基于与预定的实验正在考虑之中。

本文介绍后,我们描述的部分2我们的结果₂O通用的“核心”地区HPT的函数的压力吸收功率的典型案例。Ar喂养相比,这些都是类似的结果通过使用[描述的通用2]。N₂O饲养结果说明在部分3作为吸收功率的函数。部分3也包含N之间的比较₂O和Ar功率不同的结果。节4,我们提出我们的结果与电离百分比,给“功能图”(FD) N₂啊喂,它既包括压力和功率变化是基于相同的数据。类似图给出基于“增大化现实”技术的喂养和比较。节5,结果一个空中像N₂/ O₂混合喂养,相比获得N₂O喂养。这样做,我们现在部分由一个空中像FD 5 sccm喂养(4:1 [N₂]:[O₂N])₂/ O₂混合比较结果对应于N₂O喂养。最后,我们给的结论和观点这部分工作6。

2。压强的依赖关系的N次方₂O美联储HPT功能与Ar喂养和比较的结果

结果通用的N₂O喂养的hpt取决于各种参数基本上由(我)定义的形式因素,圆柱半径和长度;(2)气体温度;(3)总压强;(iv)吸收能力;(v)流量。

在本节中,我们目前的结果的N₂O喂养各种压力值和我们比较Ar喂养他们相应的结果,而结果不同的吸收功率值在部分3。等离子体的压力依赖性的物种密度和电离的百分比分别讨论了低,中间值和高功率值的应用程序。两个值的最后一个参数,流量,被认为是,即5 sccm和20 sccm。

简化了[2)的基于“增大化现实”技术的情况下,将等离子体推进器的“核心”和“衣钵”地区,也在这里使用。图1示意图显示一个简单的图,这个“拟设”,这是详细描述(2]。

典型的推进器半径规模在图所示1也在这里厘米,导致核心半径厘米的面积作为“核心”截面选择是总数的10%,对应于半径约占总数的30%。

2.1。低功率应用程序

让我们考虑的“衣钵”地区吸收功率HPT相对较低,100 W的或更少。相应的流量大约是12 sccm,几毫托的压力。低功率HPT的物理条件的在这种情况下类似于公关部分由于前的小半径,约1厘米,导致减少了等离子体的总量。我们估计低功率吸收的“衣钵”地区HPT对应于一个公关等离子体吸收中间的力量(150 - 500 W)在大体积。预期的电子温度离解、电离和主要成分的百分比也变得那么具有可比性。

等离子体前面描述的处境很类似的一个低功率/高压ICP最近提出的“microthruster”类型的查尔斯和鲍斯威尔(12]。原型设备,探测器测量,指示3 eV的基于“增大化现实”技术,这是非常低于预期,针对现行低功率/高压。在ICP的推进器12),权力通常20 W,压力1.5托。这些值更低和高分别比通常用于HPT推进器。此外,在12),气体温度被认为是大约300 K,而我们使用400 K值,还在我们前面描述的基于“增大化现实”技术的工作(2]。此外,流量为12100 sccm的),构成一个高价值的小型推进器,限制一个电离百分比小于1%的测量3电动汽车。这些值接近那些我们计算2]“衣钵”地区的低压(约10毫托)Ar美联储HPT推进器。还应该指出,在12),一个全球模型开发的ICP推进器被提到。的基础上我们的通用汽车,喂养的“micro-thruster”N₂导致了阿,,物种密度类似于那些第五节中描述的2]基于“增大化现实”技术的情况下,使用我们的通用汽车以简单明了的方式获得相应的FD导致低电离百分比。

2.2。压力的不同描述中间力量变化的结果

50 W的吸收功率,低功率HPT推进器的一个典型例子,图2显示我们的密度结果主要物种的“核心”的函数变化的压力从3毫托10毫托。这些符号,线的类型,使用的颜色密度的物种是N的三角形₂对啊,倒生的三角形₂、广场N₂啊,完整的圆圈不,为O(空心圆圈³为O (P)、空心方块¹D)和钻石n点产生的从我们的计算是加入了线放松眼睛。平曲线与符号代表我们的离子密度的结果(,,,,),除了N₂O⁺密度是由空心三角形表示。此外,我们使用虚线为O^{- - - - - -}密度和一个虚线为O (¹D)。我们的结果绘制一本厚厚的粉色dash-dotted线,而我们的总气体密度结果品红dash-dot-dot线表示。同时,第N₂振动水平由一层薄薄的蓝色虚线表示。在一般情况下,氮密度在蓝色绘制,而氧气密度是红色,N₂O, N₂O⁺黑色,没有值。总气体密度,,不断增加的压力,以及电子密度。结果为电离的N的比例₂O产品,剩余的N₂O比例,对应于相同的放电条件与图2,如图3。密度增加对应于一个电离的百分比从60%减少为3毫托30% 10毫托,如这个图所示。

最丰富的物种出现在图2是中性的N和O原子N⁺和O⁺为离子,除了低压力,N₂O, N₂O⁺物种是很重要的。N, O, N⁺阿,⁺密度增加顺利,压力,而N₂O密度保持不变。因此,密度的N₂从约16% 2毫托O减少到2% 10毫托,如图3。N₂成为最重要的分子物种从6毫托到10毫托,慢慢增加压力如图2。值得注意的是,阿₂密度远低于N₂1、由于其低离解阈值。N₂和O₂离解百分比约为80%和99%,分别。中性原子的一小部分(约30%)的叶子“衣钵”的“核心”地区,形成可能影响分子的推进器。高的值和导致观察到的重要的离解。直接导致少量的N₂O, O₂物种,O⁻密度维持在非常低的值,小于0.1%的电负性10毫托。这是对发生在寒冷的外部“衣钵”地区,O⁻扮演重要的角色。观察到的高分离分子物种的比例会导致HPT的“核心”等离子体主要是由原子N和O物种,连同他们的N⁺和O⁺离子。然而,外表的强烈的N₂乐队仍然是重要的光谱。

我们观察一个连续减少的的压力,从超过13 eV少于4 eV,如图3与广场(红线)。电离百分比(,黑圈线)从61%减少到27%。注意,在下面,代表总电离等离子体的百分比(有时也会写)。它被定义为离子密度之和除以总密度的物种。的和的变化如图3有点类似与观察到的N₂O和Ar公关案例(见[1,2),即使变化更强烈的推进器和包含更广泛的价值。

结果我们通用的N₂O排放比较图4之前获得的Ar。在这个图4,我们的和值如图3N₂O(粗线)一起重复我们的基于“增大化现实”技术的结果(细线)。单独的基于“增大化现实”技术的情况下,我们给的比例仅仅电离(,短虚线)和双电离(,短虚线)的物种。总Ar电离(百分比),这是两个百分比的总和,。这直接导致剩余的中性色的比例仍然存在于等离子体。必须注意在计算推力时,我们添加了电离物种的数量,而不考虑双电离可能成为重要的影响。电子密度N₂O和基于“增大化现实”技术的情况下也是策划(绿线)。

2.3。压力高功率不同的结果

重要的是要知道如何修改的属性N的压力₂O放电时吸收能力显然更高。因此,我们应用我们的模型也是一个固定的吸收功率200 W,而不是之前的50 W前一样喂养5 sccm。结果在图5和6使用相同的符号用于数据2和3。因为吸收功率更高,我们目前的结果与扩展压力变化5毫托20毫托而不是3毫托10毫托变化如图2和3。在一般情况下,物种密度图5显示平滑变化对比图2用于修饰或说明50 W吸收能力。正如所料,在高功率情况下,分子物种分离,离子存在。因此,我们观察图6总电离百分比(黑线加入圈子)是200 W吸收功率高于50 W。这也是如此。当更多的权力可以电离更大比例的气体电离百分比增加更快,所以,例如,10毫托成为通常比这双对应50 W的情况,而电子温度上升约20%。注意,这里的流量值固定的sccm 5点。流量的变化与吸收能力可能会改变完全放电的特点。

很明显,高喂养值,结果可能会完全不同。剩余的N₂O比例相当高,电离百分比明显降低20 sccm喂养。这是见图7有效的吸收功率200 W和喂养20 sccm, N,比较的结果₂O,并给出基于“增大化现实”技术的情况。注意,压力从5毫托30毫托不等。结果与图的比较4有关50 W和5 sccm。在这里,和有很大的不同的图吗4(约两倍的压力10毫托),和(N)₂O变化显著的降低压力(从5毫托10毫托)。流量的影响可以通过比较进一步评估FDs如图13和14之间的数字15和16,说明压力变化结果的喂奶(5 sccm 20 sccm)与N₂O和相应的基于“增大化现实”技术。

3所示。对吸收能力的依赖

我们已经看到HPT的吸收能力是一个重要参数功能。吸收足够的可用功率的等离子体在HPT的研究中也是一个主要关心的。因此,从压力变化结果的描述之后,我们现在考虑变化的放电特征作为吸收功率的函数。在数据8- - - - - -12物种密度,和值,也显示了更高的吸收力量,从典型的低价值50 W到750 W。变异的物种密度作为吸收功率的函数,对于一个典型的固定的压力10毫托,见图8。大部分的离子密度的增加,而中性密度减少,如预期的相伴增加(dash-dotted粉色线)。50 W的功率,原子N和O物种优势,与离子已经出现在一个重要的量。从200 W,当功率增加,N⁺和O⁺成为占主导地位的物种,N和O是最重要的中性色。分子离子也存在,特别是和N₂O⁺,但他们比原子离子密度要低得多。变化的力量的基本参数、电离百分比和N₂O比例相同的固定压力10毫托图所示9。我们观察到在图9那和电离百分比N的₂O产品不断增加,当权力从50 W到750 W。

类似于在数据变化8和9获得各种固定的压力。我们在数据说明10和11这种差异7毫托的一个固定的压力。在图10,我们看到,物种的密度是不同的,而同样的图8。总密度,然而,在这里低的低压7毫托。事实上,一个小的压力减少从10毫托7毫托导致总密度减少的一个因素两个,说明离子压力降低压力具有十分重要的意义。因此,等离子体更容易加热、电离越高所示和值如图11。比较的结果为两个选择压力(10毫托和7毫托)显示的重要性决定等离子体电离和温度压力参数。相反,当等离子体参数包括推进器维度、流量、确定和吸收功率,可以有一个估计的压力根据通用汽车之间的关系结果和测量获得的光等离子体诊断方法(探针,OES)。

为了欣赏预期N之间的区别₂O联储HPT和Ar联储HPT这我们先前获得的(2),我们显示在图12的和部分总电离百分比作为吸收功率的函数,都喂养情况。压力是固定在7毫托如前所述。结果绘制与普通线N₂O和Ar的虚线。我们观察图12的计算电离Ar喂养比例略高于N₂哪一个。相反,之间观察到相当大的差异获得两个喂食。顺便说一下,这个功能可能会改变,例如,Xe美联储HPT, Xe的第一电离阈值(12.13 eV)低于这N (14.5 eV)的O (13.6 eV),虽然这的Ar (15.76 eV)较高。注意,为分子,N₂电离能(15.58 eV)远高于N₂O(12.89)和O₂(12.1 eV)。N的比例⁺(),阿⁺(),基于“增大化现实”技术⁺(),基于“增大化现实”技术^{+ +}()也在图表示12。针对基于“增大化现实”技术的连续变异^{+ +}(第三Ar谱)与权力,Ar三世成为光学清晰可见的推进器等离子体的发射光谱。比较Ar三世Ar二线强度允许那么深信不疑的HPT等离子体的特性,基于OES光谱学。

4所示。为N功能图₂O美联储HPT给电离百分比与基于“增大化现实”技术的推动和比较

基于我们的全部结果N₂美联储HPT阿,我们构成(与)图,给电离百分比(%)的压力。图13显示了这样一个成“功能图”(FD) 5 sccm的喂养,说明电离百分比变化是压力的函数,对一组功率和吸收值。吸收能力跨越一系列25 W到1000 W跨越一系列3 eV 30电动汽车,而变化的压力来自3毫托30毫托。因此,这FD成包含一个非常广泛的等离子体参数。它必须记住当前FD,专门5 sccm的流量。在图的图13的极限水平虚线显示,5%离子损失“地幔。“两个垂直的对应于所选择的压力情况下的数据8和9(10毫托)和数字10和11(7毫托)N₂O喂养。再一次,我们观察结果的巨大差异当从10毫托7毫托。在每个图,一本厚厚的黑色箭头显示了100 W散装变异的结果。箭头的方向,即与水平轴角由箭头,显示具体有多容易增加电离为100 W吸收功率百分比。

为了获得一个清晰的照片重要摄食的影响参数,我们呈现在图14相应的FD属于高N₂O 20 sccm的喂养。虽然主要的趋势仍然类似如图13获得5 sccm喂养,电离率的降低是20 sccm观察情况。这种特性已经观察到的基于“增大化现实”技术的美联储推进器(2]。的比较数据13和14展示了足够低流量义务非常重要的特性,如果我们想保持高电离推进器的百分比。可以使用更高的喂养,例如,20 sccm 5 sccm的而不是一个,只有当我们处理一个足够高的吸收能力,允许比例足够高电离导致满意的推力。因此,一个优化的喂养可以吸收功率分配的基础上。

类似图5 Ar喂奶的sccm和20 sccm,基于先前开发的基于“增大化现实”技术的通用汽车[2),介绍了数字15和16进行比较。结果以类似的方式对所有不同的参数范围的基于“增大化现实”技术的情况下,N₂哪一个。N的比较₂O和Ar数据所示结果13来16显示了基于“增大化现实”技术的高电离比例较低的等离子体相比,与N₂O。这种倾向,已经观察到的数字4和12,现在推广到更广泛的等离子体领域。30%的FDs从一个电离,因为低电离百分比不感兴趣的成。基于这些图的一般观察,不同流速导致平滑变化的结果,至少在这里介绍的流速范围和参数。此外,重要的是观察,低压地区一个小压力的变化会导致相当大的变化的结果。

在比较N₂成O和基于“增大化现实”技术的结果,我们观察特性类似与ICP的PRs已经提出了Ar喂养(2]。实际上,当越来越多的介绍了气体设备,它变得更加难以维护高电离(和离解如果有的话)百分比。

5。当美联储×N HPT功能的比较₂O和空运

为了获得更大的HPT功能,我们还研究了结果的喂养空中像N₂/ O₂混合物,相比与N₂O饲养结果说明以前。N之间的相似之处观察₂O喂养和N₂/ O₂4:1 (N₂]:[O₂“空中像”混合,允许空气美联储推进器的特性。在图17,两个喂食和电离百分比获得进行了比较。从50 W到750 W吸收功率增加,作为数据的情况11和12,而压力也固定7毫托。结果N₂O代表普通线,而空中像的是用虚线画。检查图17表明,获得的稍高的空中像混合比N₂o .我们也观察到值对应于喂奶都非常相似。

它也是有趣的调查如何电离变化百分比的函数为各种的压力和吸收力量当HPT美联储4:1 (N₂]:[O₂]N₂/ O₂混合模拟空气成分。这样的变化见图18,部分FD 5 sccm喂养的空中像4:1 (N₂]:[O₂)的混合物。我们看到,当压力超过10毫托,电离比例显然是更高的喂养的N₂/ O₂空中像混合比N₂o .相反,当压力低于7毫托,电离率较低的混合比N₂O。

6。结论和观点

目标主要是成应用程序,使用N的可能性₂O和空气空间推进。然而,尽管目前的结果关注具体典型的形式因素成设备,以及朗道阻尼“拟设”使用,该模型可以很容易地修改为适用于其他类型的推进器,尤其是HET。主要的等离子体参数的计算预期的“核心”N₂O、空气和Ar美联储提出了等离子体推进器,和结果进行比较。在这一过程中,使用空气推进解决的可能性,和空气等离子体的主要参数(,)被证明方法的N₂O在大多数考虑的条件。为推进应用,更多的工作有待完成评估原子和分子离子的数据。后者数量预计将出现在一个重要的部分是插图2来5为推进应用程序,一个重要的事实。详细评估的离子能量损失和动力学可以提高N的表征₂美联储和空气等离子体推进器。然而,引人注目的FD预计将提供帮助为各种应用程序。事实上,除了一对,提供FDs和其他工业等离子体放电研究感兴趣的应用程序主要包含N₂O和/或N₂/ O₂混合物。

承认

作者感谢未知的裁判对他有价值的建议。

引用

k . Katsonis和Ch。Berenguer,“全球建模(N)₂O排放:与ICP和辉光放电率系数和比较结果,“国际航空航天工程杂志》上文章ID 737463卷,2013年,2013年。视图:谷歌学术搜索
Ch。Berenguer和k . Katsonis等离子反应堆和等离子体推进器由Ar建模完整的全球模型,”国际航空航天工程杂志》上ID 740869条,卷。2012年,18页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
Ch。Berenguer, k . Katsonis d Vacher et al .,“光谱研究美联储ICP火炬,霓虹灯的”学报第十欧洲原子分子和光子会议(ECAMP 10)2010年7月,西班牙萨拉曼卡。视图:谷歌学术搜索
m·a·利伯曼和a·j·利希滕贝格等离子体放电原理与材料处理新泽西州霍博肯市约翰·威利& Sons,美国,第二版,2005年版。
f·f·陈,“离子推进永磁赫利孔山来源,”IEEE等离子体科学,36卷,不。5,2095 - 2110年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
k . Katsonis Ch。Berenguer, d . Pavarin et al .,“光学诊断低温氩推进器”美国第32国际电力推进会议(IEPC 11)2011年9月,德国威斯巴登,iepc - 2011 - 169。视图:谷歌学术搜索
o . v . Batishchev“Minihelicon等离子体推进器”,IEEE等离子体科学,37卷,不。8,1563 - 1571年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
t .来自k .田中s筱原t . Tanikawa和k . p . Shamrai“大直径的特点,高密度的螺旋形等离子体轴向长度较短的使用平面螺旋天线,”等离子体和核聚变研究系列杂志》上,8卷,p。2009。视图:谷歌学术搜索
r·桑托斯e . Ahedo y Raitses, n . j .,“过渡政权的启动过程中传统的霍尔推进器,”美国第32国际电力推进会议(IEPC 11)2011年9月,德国威斯巴登,iepc - 2011 - 059。视图:谷歌学术搜索
g . Cifali t . Misuri p·罗塞蒂et al .,“实验表征大气推进剂HET和罗切斯特理工学院的航拍,”美国第32国际电力推进会议(IEPC 11)2011年9月,德国威斯巴登,iepc - 2011 - 224。视图:谷歌学术搜索
d·迪卡拉j·冈萨雷斯▽Amo, a Santovincenzo et al .,“RAM电力推进低地球轨道操作:一个欧洲航天局研究”学报》第30届国际电力推进会议(IEPC ' 07)佛罗伦萨,意大利,2007年9月,iepc - 2007 - 162。视图:谷歌学术搜索
c·查尔斯和r·w·鲍斯威尔“射频micro-thruster测量和建模,等离子体科学和技术来源,21卷,不。2、文章ID 022002, 2012。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

国际航空航天工程杂志》上