氮氢电弧加热发动机喷管扩张段阳极边界层非平衡特性研究

With the most imperative problems, which are closely related to the arcjet service life and efficiency, to be solved during the design and development of arcjet thruster as the main research content, this project plans to study systematically the thermodynamic and chemical nonequilibrium characteristics of anode boundary layer inside arcjet thruster with the mixtures of nitrogen and hydrogen as working gas by means of combined numerical and experimental methods. The modeling will investigate and chose the important species and kinetic processes inside mixtures of nitrogen and hydrogen plasma system according to reasonable principle and method, develop the physical model which can be used to describe accurately the ionization and recombination processes inside the anode boundary layer. Using the parameter distributions obtained from the whole field simulation, the collisional-radiative (CR) model will be introduced to study distributions of important species and their kinetic fluxes, analyze the kinetic processes which affect the distribution and evolution of electron density. The project will measure the parameter distributions at arcjet exit, observe the arc attachment mode on the anode and compare the experimental results with those of numerical modeling. Based on the experimental validation, this project will investigate the influencing mechanism of electron density distribution and its relation with arc attachment mode, analyze the effect of convection, diffusion and kinetic process on arc attachment mode at arcjet anode. The project will also be helpful to deepen our understanding on the physical process of anode boundary layer in the arcjet thruster, promote the development of relevant technologies.

本项目以我国电弧加热发动机设计与研制过程中急需解决的、与发动机寿命和效率密切相关的阳极边界层非平衡特性为主要研究内容，通过数值模拟和实验研究，分析氮氢电弧加热发动机内近阳极边界层热力学和化学非平衡特性。研究中将依据合理的准则与方法选择氮氢等离子体体系内的重要组分和动力学过程，发展能够准确反映边界层内主要电离与复合过程的物理模型。以全场数值模拟结果作为输入条件，采用碰撞辐射模型获得阳极边界层内各种组分的集居状态和各组分间动力学过程通量，分析影响电子数密度分布和演化的重要动力学过程。测量不同工况条件下发动机出口参数分布，实验观察电弧在阳极的贴附情况，与数值模拟结果进行对照比较。在实验验证的基础上，综合考察边界层内电子数密度分布影响机制及其与阳极表面电弧贴附型式的联系，分析对流、扩散及动力学过程对电弧贴附型式的影响。本项目将加深我们对边界层内部物理规律的认识，促进相关技术的发展。

本项目以航天推进中广泛应用的电弧加热发动机为研究背景，系统地研究了以氢-氮混合物为工作气体的发动机边界层内热力学和化学非平衡特性。在研究过程中，针对氮氢等离子体组分的特点和电弧加热发动机内的参数范围，依据合理的方法和准则确定了可以准确描述发动机内边界层等离子体特性的化学动力学模型。依据电弧加热发动机内复杂的流动、传热和能量交换特点，提出了确定发动机内边界层的方法。依据发动机内存在多组分，大参数梯度的特点，发展了自洽的、非平衡条件下的多组分扩散系数处理方法，用于分析氮氢电弧加热发动机内部的组分扩散。研究表明在发动机出口附近气体流动边界层占据流动截面积一半，但对推力的贡献约为40%，推力主要由主流区气体流动贡献。对于氮氢在发动机中心区域，氢原子的电离反应速率高于氮原子的电离反应速率，表明氢在轴线处能量转化过程中扮演重要角色。在发动机阳极壁面，氢的电离反应远高于氮的电离反应，因此电子的来源主要是氢，说明氢对于阳极壁面附近冷流区电流的导通十分重要。对发动机内扩散现象的研究表明氢组分主要聚集在阳极壁面和中心区其主要原因是化学动力学引起的浓度梯度占据主导；压力梯度对组分的分布影响较小；温度梯度使轴线处氢原子摩尔分数下降，氢分子和氮离子摩尔分数上升。在先前的实验研究发现，电弧可能以集聚和扩散型方式贴附与阳极壁面，采用准确的输运性质、扩散通量处理方法和合理的化学动力学模型，自洽预测了电弧在阳极表面的贴附模式，为今后进一步研究电弧在阳极的贴附机理奠定了扎实的基础。项目研究还推广到直流电弧等离子体发生器的设计，理论和实验研究都表明采用收缩和扩展通道设计的发生器可以起到分散电弧的作用，可为直流电弧等离子体发生器的设计提供参考和指导作用。