脉冲等离子体推力器羽流预测计算研究

为了能够将脉冲等离子体推力器成功地运用于空间,需对其羽流进行研究。将一维 MHD双温放电模型的计算结果作为入口条件,运用DSMC（Direct Simulation Monte\|Carlo ）／PIC（Particle in Cell）流体混合算法一体化模拟实验室PPT羽流。验证计算显示该模 型具有一体化模拟脉冲等离子体推力器羽流的能力。对不同初始放电能量下的羽流场进行模 拟,给出了离子、中性粒子、电子温度、轴线上质量流率和出口平面返流质量流率的变化情 况。计算结果显示高放电能量下返流量更大,同时中性粒子在返流中所占比例也越大。
     

脉冲等离子体推力器羽流回流影响分析

将三维MHD双温入口模型的计算结果作为入口条件,运用DSMC(Direct Simulation Monte-Carlo)/PIC(Particle in Cell)流体混合算法,模拟实验室PPT样机羽流。验证计算显示,该模型具有模拟脉冲等离子体推力器羽流的能力。对不同初始电压和电容下的羽流场进行了模拟,给出了出口平面返流质量流率的变化情况和20μs羽流中离子和CEX离子的分布情况。计算结果显示,高能量状态对应高质量流率,高质量流率对应高动量,高动量离子和中性粒子对航天器撞击会造成更强影响。     

微波等离子推力器真空羽流模拟计算

粒子节点－直接模拟蒙特卡罗法（DSMC）是求解稀薄气体流动的数值模拟方法，采用轴对称硬球模型、随机取样频率法对微波等离子推力器（MPT）的真空羽流进行了数值模拟计算，为了提高计算效率和节省计算机内存，采用了随机取样频率法（RSF）和加权技术。对MPT真空羽流的浓度、速度和温度分布进行了计算，并对羽流污染进行了分析。计算结果对以后MPT真空羽流场测试和航天器一体化设计提供了参考。     

利用Simons模型研究卫星羽流污染

发动机羽流对卫星引起干扰力矩及沉积效应,对羽流污染分析是卫星污染分析中的重要部分。文章在分析发动机羽流流动特点的基础上,详细介绍了Simons模型,并将其用于某卫星20 N发动机羽流对其邻近壁面沉积污染的模拟。计算结果表明,羽流会对邻近壁面产生污染沉积效应,平均沉积速率1.89 10-4 kg/(s?m2)。通过此算例证明,Simons模型是一种有效的快速估算羽流污染的工程方法。     

月球探测器着陆过程羽流热效应数值模拟研究

考虑到月球探测器着陆过程变推力发动机工作可能引发羽流热效应,通过差分求解N S方程与直接模拟蒙特卡洛(DSMC)耦合的方法,针对探测器变推力发动机羽流的连续流区与稀薄流区进行了数值模拟,获得了着陆过程不同状态探测器表面的羽流气动热流密度分布,分析了探测器在不同高度及坡度受到的羽流热效应,研究了探测器因落月惯性与发动机延时拖尾等特殊工况羽流气动热的影响程度。数值模拟结果表明,探测器受到的羽流气动热影响总体随着发动机出口与月面间距离减小而急剧增强,随着距离减小至0.434 m,热流密度最大值为429 kW/m 2 ,而且月面坡度对羽流热效应有减弱作用。研究结果可为探测器关机策略的制定提供支撑,为探测器关键部位的热防护提供输入,为探测器整体的设计优化提供服务。     

空间发动机羽流研究技术发展综述

首先介绍了目前进行空间发动机羽流研究的必要性,同时说明地面试验和数值模拟方法都是研究空间发动机羽流特性的有效手段,两者缺一不可。在此基础上,总结了国内外羽流地面试验关键技术和发展状况。然后,分别总结了国内外最具代表性的空间发动机羽流试验台的组成、真空抽吸方式、主要技术指标和特点,包括美国的J2-A试验舱和CHAFF-IV试验舱,欧洲的CCG羽流污染试验舱和STG低温氦冷羽流试验舱,中国的KM系列空间环境模拟器和PES地面羽流试验台。最后,介绍了与羽流地面试验相关的数值模拟技术的发展,总结了进行羽流数值模拟的模型,重点介绍了常用的DSMC方法的典型应用和基于此方法所开发软件的情况,并针对大密度羽流场和电推进发动机羽流场的特点分别总结了其进行羽流场计算的方法。     

脉冲等离子体推力器羽流三维粒子模拟

以脉冲等离子体推力器(PPT)羽流为研究对象,基于单元粒子法和直接模拟蒙特卡罗法,建立三维物理模型,模拟羽流瞬态流动.假定电子等温流动将其动量方程简化并离散,运用交替隐式法求解等离子体电势.通过与实验数据和轴对称仿真结果对比验证仿真模型,分析流场中电势、浓度分布随时问变化情况.研究表明,本文所建模型能在平行和垂直于电极的两个甲面内有效预测等离子体羽流参数,且仿真结果优于二维模拟.PPT羽流中推进剂返流质量份额极小.研究方法、结果对PPT羽流更深入研究具有参考价值.     

霍尔推力器等离子体羽流粒子模拟

建立了霍尔推力器羽流仿真模型,用单元粒子-直接模拟蒙特卡罗（PIC-DSMC）混合方法对SPT-7推力器的流场进行数值模拟,分析背压、扩张角和电子温度对流场的影响。结果表明：背压粒子增加了回流区内离子和高速粒子,加重羽流污染。SPT-70推力器羽流出口处扩张角约为30°。实验数据验证了仿真模型的正确和方法的可行,对电推力器及其羽流污染等的研究有一定的参考价值。     

飞行参数对导弹发动机羽流的影响

对导弹发动机在不同飞行条件下的羽流进行数值模拟,得到飞行参数对导弹发动机羽流的影响规律,为载机挂点设计和制定发射边界提供了相应的理论依据。计算结果表明,在相同飞行马赫数下随飞行高度的增加,导弹羽流边界随之增加：在相同飞行高度下随飞行马赫数的增加,导弹羽流边界随之减小,同时导弹羽流结构也随飞行奈件变化而有很大的不同。数值模拟与地面试验结果一致,计算具有较高的可信度。     

氢氧发动机模型真空羽流场试验和仿真研究

研制了一个用于模拟中国长征火箭二级的60 N推力氢氧发动机的缩比模型,并在北京航空航天大学真空羽流效应实验系统进行了试验。使用皮托管阵列测量了羽流压力场,结果显示当距发动机喷管出口的距离从140 mm增加到600 mm时,羽流场的最大压力从12 400 Pa降到了400 Pa。为验证CFD-DSMC混合的数值仿真方法,将试验结果与仿真结果进行了对比分析,二者一致性非常好。对比结果显示数值仿真方法在羽流效应分析方面的强大功能。研究获得了模型发动机羽流场的压力分布特性,可用于原型发动机的羽流效应分析。     

脉冲等离子体推力器等效电路模型分析

脉冲等离子体推力器(PPT)的放电电流与推力器性能有密切关系。为了分析影响脉冲等离子体推力器放电电流的因素,建立了推力器放电过程中的等效电路模型,分析了等效电路中电感及电阻的分量,并对简化的等效电路模型进行解耦,得到了放电电流的3种状态。通过实验以及方程解耦,得到了实际电路中的等效电感及等效电阻值,研究了等效电感及电阻中影响推力器性能的因素。结果表明,推力器的间距和放电能量改变了等离子体的电感及电阻值,从而改变了放电电流曲线,影响了推力器的电磁加速性能。设计PPT时,应尽量减小电极的寄生电感和电阻,采用内感和内阻较小的放电电容,获得较高的PPT效率。     

推力器真空羽流热效应计算模型修正及误差分析

开展羽流热效应计算模型精确评估是合理进行热控设计的前提和条件。文章采用数值求解N-S方程和基于工程经验的点源法相结合的方法得到羽流内外流场;而后采用理论经验公式对羽流热效应计算模型中的关键参数(壁面热适应系数)进行分析,并讨论它们的取值范围;最后利用MBB 10 N推力器的地面试验数据,对羽流热效应关键参数的取值范围进行了精确评估,使得羽流热效应计算误差减小到工程允许的范围内,确认了修正后计算模型的正确性和可信度。     

离子火箭发动机羽流特性分析

分析了离子火箭发动机羽流组成和各种粒子的产生机理,建立了束离子、中性推进剂原子、交换电荷离子的物理模型,并以20cm氙离子火箭发动机为例计算了羽流中各种粒子的空间分布。通过对羽流组分分布特性的分析,提出了羽流污染防护的有效措施和方法。     

卫星发动机羽流污染模型的DSMC方法研究

文章通过DSMC（Direct Simulation Monte Carlo,直接模拟蒙特卡罗）方法对卫星发动机羽流进行数值模拟,对仿真方法进行了对比验证,证实了DSMC方法可以比较精确地模拟羽流场。在建立卫星污染模型的过程中,针对污染发动机喷口形状的变化以及出口参数的变化,对DSMC方法模拟结果进行了对比,得到喷口形状和出口参数的变化对模拟结果的影响,并得到最优的卫星敏感表面羽流污染计算模型。     

利用10N推力器羽流试验数据建立羽流场数学模型

利用MBB10N推力器羽流试验数据建立推力器羽流场的数学模型并确定其模型参数,以便利用此数学模型分析此类推力器对卫星的羽流干扰力、干扰力矩以及对太阳翼、敏感器的热效应等羽流污染。本文建立的羽流场数学模型不同于Simons羽流场数学模型及羽流特征线方法,但本质上仍满足羽流远流场为自由分子流的假设条件;本文建立的羽流场数学模型的非线性表达式更便于利用试验数据实现系统辨识,而且可达到相当满意的辨识准度。     

航天器发动机羽流对太阳电池板力及热效应仿真

文章将差分求解N-S方程与DSMC方法相结合,研究了航天器单台发动机连续工作时的真空羽流对航天器太阳电池板的力效应和热效应。通过求解N-S方程,获得发动机喷管的内流场;再以内流场计算结果作为模拟粒子入口边界条件,应用DSMC方法,在并行计算机平台上进行三维羽流场和力及热效应计算,得到航天器单发动机连续工作情况下羽流场对太阳电池板的力效应和热效应。文章以太阳电池板处于斜45°状态为例,对仿真结果进行了分析。