三维多组分羽流及其效应的数值模拟

考虑到实际卫星总体布局特点及姿控发动机燃气喷流为多组分的特点,采用差分求解N-S(Navier-Stokes)方程耦合DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)方法建立三维多组分羽流场的数值模拟模型,对5 N无水肼单组元姿控发动机喷管产生的燃气羽流场及其效应进行数值模拟,计算得出羽流场的物理参数分布、化学组分分布,得到了羽流对太阳能帆板的羽流气动力和气动热效应.计算结果表明对于太阳能帆板的羽流效应防护应以N2,NH3为主,姿控发动机羽流会对太阳能帆板撞击产生气动力和气动热的影响,在太阳能帆板前沿中点处,存在气动压强峰值和气动热流峰值.计算结果为研究羽流效应提供了参考依据.     

基于PIC方法的离子发动机光学系统粒子模拟

采用单元内粒子(PIC, Particle-In-Cell)方法对离子发动机光学系统进行了等离子体粒子模拟.PIC方法可有效地对等离子体进行粒子模拟,其中电场求解采用SOR(Successive Over Relaxation)方法,离子加速方法采用蛙跳格式.推进剂采用氙,模拟粒子为单核离子.模拟得到了栅极间电势分布、电场强度分布及栅极间氙离子数密度分布.计算结果表明,在所取的光学系统电压参数和几何参数下,粒子束能够顺利通过栅极孔,不会撞击到栅极孔壁上.粒子模拟为今后开展离子发动机光学系统腐蚀机理分析及寿命评估提供了有效的数值方法.      

溅射靶对离子推力器的热辐射影响研究

为了研究真空环境设备内溅射靶温度升高后对30 cm离子推力器的热辐射影响,采用有限元分析的方法,首先对真空舱内的离子推力器羽流分布进行了模拟,在获得羽流对溅射靶造成的温度变化后,进一步分析了溅射靶温度升高对离子推力器温度以及栅极热形变位移所造成的影响.仿真结果显示,推力器羽流可采用定向分子流模型进行描述,羽流在真空舱内...     

轴对称羽流流场数值模拟和实验验证

针对在轨航天器羽流效应对航天器整体寿命的影响,在"DFH"系列卫星姿控发动机喷管羽流实验研究的基础上,建立喷管的轴对称模型,选取矩形计算区域,设定一定的边界条件和计算条件,采用轴对称单组分直接模拟蒙特卡罗(DSMC,Direct Simulation Monte Carlo)方法对相应实验状态的羽流流场进行数值模拟研究.通过对比数值模拟结果和实验测量结果,表明DSMC数值模拟羽流流场的计算结果符合实际流动规律,实验验证了所编制的轴对称DSMC数值模拟程序的正确性和有效性.      

电弧加热发动机羽流电子温度的探针诊断

电弧加热发动机(Arcjet)由于其比冲远高于传统的使用化学推进剂的发动机,近年来引起了愈来愈多的关注。文章建立了一套在真空环境下利用静电探针诊断技术测量Arcjet羽流电子温度的实验装置, 并且对以氩气为工质的 Arcjet 的羽流进行了测量, 得到了羽流电子温度的轴向和径向分布情况, 以及电子温度随电弧电流和工质流量变化的趋势。实验结果表明Arcjet羽流轴线处的电子温度远大于重粒子温度。     

稳态等离子体推进器羽流场数值模拟

采用二维轴对称模型,使用粒子网格法(PIC)和直接模拟蒙特卡洛法(DSMC)相结合的方法,对稳态等离子体推进器(SPT)羽流场进行了数值模拟.采用DSMC方法中的随机取样频率法(RSF)求解粒子碰撞过程,并对比了不同的分配电荷方式、电子运动模型及SPT出口条件时的羽流场.将不同条件计算得到的羽流场中距SPT出口0.1?m,0.5?m及1.0?m处的离子电流密度和电荷密度与实验结果进行了对比,得出在采用面积权重法分配电荷、等熵模型描述电子运动和用实验值设定发动机出口参数时对SPT羽流场数值模拟的电流密度和轴向附近的电荷密度结果与实验结果符合程度较好的结论.     

氢氧发动机真空羽流干扰试验研究

为了研究航天器发动机多股羽流产生的羽流干扰对流场结构及参数的影响,在北京航空航天大学真空羽流效应试验系统（PES）中,采用总压皮托管阵列对60 N氢氧模拟发动机单机羽流和双机干扰羽流的压力场进行了测量。试验结果表明:单机羽流流场压力随着轴向距离的增大而迅速降低;受到钟形喷管产生的压缩波束影响,同一轴向距离上的压力最大值逐渐偏离喷管轴线;双机羽流干扰发生于两股发动机羽流主流之间的区域,干扰流的作用范围和强度随着轴向距离的增大而增大,干扰流压力最高可以达到单机羽流相同位置处压力的5倍以上;受到干扰流压缩波束边界的影响,同一轴向距离上的压力最大值逐渐偏离双发动机对称面。      

碘工质射频离子推力器栅极系统束流特性仿真

为分析碘工质射频离子推力器束流特性,应用粒子云网格算法（PIC）,对碘工质射频离子推力器栅极系统进行三维数值仿真。碘工质电离产物中除了大量存在的I⁺,还包含少量I₂⁺、I²⁺、I³⁺几种多价离子。对添加多价离子前后束流特性的仿真结果进行对比,得出该栅极系统离子空间分布、电势分布、离子相空间分布以及束流、束流发散角,并对变密度工况下束流大小进行统计。计算结果表明,程序能较好地模拟离子在栅极系统中的运动情况：添加多价离子后,等离子体悬浮电势有所上升,鞍点电势有所下降,但整体电势分布的变化幅度较小;添加多价离子后束流大小略有增加,束流发散角略有减小,通过理论分析可知仿真所得理论推力及理论比冲均有小幅度增加;放电室等离子体数密度增加到约2.4×10¹⁷m^-3时,该栅极系统达到了束流引出的极限,后续增大等离子体密度引出束流不增反降。模拟结果可以为碘工质射频离子推力器栅极系统的设计提供参考。     

地外天体起飞羽流导流气动力效应仿真

探测器自地外天体采样返回过程中,发动机羽流作用于起飞平台后返流至起飞器表面,产生气动力效应及干扰力矩。针对圆锥形羽流导流结构,利用计算流体力学/直接模拟蒙特卡罗（CFD/DSMC）耦合方法,对起飞器距离起飞平台200~700 mm,偏转角度0°~5°范围内的羽流导流气动力效应进行了仿真计算。计算结果表明,随着上升距离增加和偏转角度增大,起飞器受到的力矩出现了反向增加现象,严重影响起飞稳定。研究发现,上述现象产生的主要原因为偏转角度增加时,起飞器距离起飞平台较远一侧的羽流与起飞平台作用点由圆锥导流结构逐渐偏移至平面位置,导致羽流作用于起飞平台后的流动方向由贴近起飞平台向侧面流动急剧转变为反弹至起飞器底面方向流动,从而使远离起飞平台的一侧所受力矩高于靠近起飞平台一侧,产生反向力矩。      

离子推力器羽流热效应仿真分析

离子推力器工作时向外喷出的羽流与航天器表面碰撞,会引起敏感材料热变形等热效应,严重时会导致航天任务失败。针对兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200型离子推力器羽流热效应进行了仿真分析。仿真中,使用粒子网格（PIC）方法处理等离子体运动,使用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法处理粒子间碰撞,使用Maxwell模型处理粒子与壁面的能量交换,对电推进羽流热效应测量中的部分测点进行了数值模拟。结果表明,仿真结果与实验数据符合较好,离子推力器出口轴线上滞止热流仿真值与实验测量值误差小于17.0%。此外,热流计对流场的影响主要集中在热流计附近0.1 m范围内,对整体流场影响较小。      

LIPS300离子推力器加速栅电压的优化设计

在不改变推力器几何结构的前提下,为了获得LIPS300离子推力器的最佳加速栅电压,采用半经验分析和数值仿真计算相结合的方法分析了加速栅电压分别为-180V、-190V、-200V、-210V和-220V时LIPS300离子推力器栅极组件引出束流过程中束流离子从非平衡态到平衡态的演化过程,通过数值模拟计算得到了推力器运行过程中交换电荷离子轰击溅射到加速栅壁面的产额,利用寿命预测的半经验计算方法对5种情况下LIPS300离子推力器的栅极寿命进行估计,分析了关键失效模式,通过对比获得了LIPS300离子推力器的最佳加速栅电压。计算结果显示,在现有几何结构下加速栅电压的变化不会影响栅极组件的引出性能;加速栅下游更易受到交换电荷离子的轰击溅射;加速栅电压从-180V变化至-220V过程中,影响栅极寿命的关键失效模式为电子反流失效;对比5种情况下发生电子反流和结构失效时对应的栅极寿命可以发现,LIPS300离子推力器加速栅电压最佳值应为-220V,此时对应的栅极寿命为16170.4h。     

背景压强对电推进羽流场影响的数值模拟

真空舱内背景压强是电推力器地面试验过程中影响工作性能评估和羽流场参数诊断的重要参数。针对LIPS-200型离子推力器羽流场参数的数值仿真中采用的背景压强建立方法进行了仿真分析。仿真中采用混合粒子网格(PIC)方法和直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法处理羽流场中等离子体运动和粒子间碰撞,分别采用虚拟粒子和计算粒子建立压强的方式,对电推进羽流场进行了数值模拟,并与绝对真空环境进行对比分析。结果表明:背景压强的存在导致中性粒子和电荷交换离子数密度较绝对真空环境高1个量级以上。虚拟粒子可大幅提高计算效率,获得的流场中电荷交换离子分布与计算粒子结果相近,但中性粒子分布相差较大,虚拟粒子无法表征壁面及真空泵的影响。      

霍尔推力器羽流对太阳翼的溅射影响规律

霍尔推力器羽流对太阳翼的溅射作用是影响翼板工作性能、卫星供能稳定性的重要因素。为深入研究霍尔推力器羽流在不同布置工况下对太阳翼的溅射影响规律,采用单元粒子/直接蒙特卡洛碰撞模型（PIC/DSMC）求解羽流等离子体的输运过程,其中对离子的扩散作用采用基于菲克定律的求解模型,并以Yamamura溅射模型来求解等离子体对太阳翼表面的溅射产额。为验证修正扩散模型后的算法精度,在真空舱内开展羽流诊断试验,以试验与计算结果的对比来修正扩散经验参数以及验证计算精度。试验结果表明,在扩散系数kd=126×10-36N·m4时,该模型计算误差在87%左右。在此基础上,对不同的推力器方位角、推力器与翼板距离工况,开展羽流对太阳翼的溅射产额计算。计算结果给出太阳翼表面溅射分布随方位角、距离增加的依变规律,并进行了相关透光率影响程度的讨论,可对推力器的星上布置提供参考依据。     

离子发动机羽流空间电位诊断

离子发动机羽流空间电位分布不合理可能会造成一系列问题,以至于影响航天器的正常工作。试验使用发射探针对20 cm氙离子发动机束流区等离子体空间电位进行诊断,测点选取轴向距离发动机出口平面250～900 mm,径向0～450 mm,探针钨丝直径0.1 mm,加热电流1.5～2.5 A。发射探针诊断建立在电子热发射基础上,因其I-V曲线拐点较朗缪尔探针更为明显,所以测量得到的空间电位分布更为准确。国外已经广泛使用发射探针测量等离子体空间电位,发射探针的试验数据处理方法仍存在较大分歧。从发射探针工作时的物理过程着手,分析热电子发射多少对空间电位诊断结果的影响,采用不同的探针I-V曲线处理方法并对各种方法利弊进行讨论,分析偏离真实空间电位的原因,比较得到较为合理的结果,对发射探针的结构改造和加热电流的选取提供依据,为发动机性能的改善和羽流仿真模型提供参考。