脉冲等离子体推力器羽流场数值分析

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1、第３５卷第５期国防科技大学学报Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．５２０１３年１０月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＮＡＴＩＯＮＡＬＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＤＥＦＥＮＳＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＯｃｔ．２０１３脉冲等离子体推力器羽流场数值分析谢泽华，周进，张锐，李自然（国防科技大学高超声速冲压发动机技术重点实验室，湖南长沙４１００７３）摘要：为掌握脉冲等离子体推力器的羽流特性，考虑磁场对等离子体羽流的影响，结合ＤＳＭＣ和ＰＩＣ方法建立了粒子－流体混合模拟模型，以磁流体力学模拟提供入口条件对推力器羽流开展了三维数值研究，并通过朗缪尔三探针诊断对计算结果进行了验证。研究表明，羽流膨胀过程中各组分

2、的动力学行为差异明显；放电电流振荡会导致产生低速离子群，并会加重离子回流；电磁加速是羽流等离子体主要的加速机制，磁场对推力器羽流的流动具有重要作用。关键词：脉冲等离子体推力器；羽流；粒子－流体混合模拟；磁流体力学中图分类号：Ｖ４３５．１１文献标志码：Ａ文章编号：１００１－２４８６（２０１３）０５－００６７－０７ＮｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｌｕｍｅｆｉｅｌｄｏｆａｐｕｌｓｅｄｐｌａｓｍａｔｈｒｕｓｔｅｒＸＩＥＺｅｈｕａ，ＺＨＯＵＪｉｎ，ＺＨＡＮＧＲｕｉ，ＬＩＺｉｒａｎ（ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＳｃｒａｍｊｅｔＬａｂｏｒａｔｏｒｙ

3、，ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００７３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｏｎｔｈｅｐｌａｓｍａｐｌｕｍｅ，ａｈｙｂｒｉｄｐａｒｔｉｃｌｅｆｌｕｉｄｍｏｄｅｌｃｏｍｂｉｎｉｎｇＤＳＭＣａｎｄＰＩＣｍｅｔｈｏｄｓｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｐｌｕｍｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｐｕｌｓｅｄｐｌａｓｍａｔｈｒｕｓｔｅｒ．Ｂｙｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇａｍａｇｎｅｔｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｏｄｅｔｏｐｒ

4、ｏｖｉｄｅｉｎｌｅｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｉｓｍｏｄｅｌｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｌｕｍｅｆｉｅｌｄ．ＴｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｖａｌｉｄａｔｅｄｂｙａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎｔｒｉｐｌｅＬａｎｇｍｕｉｒｐｒｏｂｅｓ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅａｒｅｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｅｘｐａｎｓｉｏｎｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｓｐｅｃｉｅｓ．Ｉｔｉｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｏｓｃｉｌｌａｔｉ

5、ｏｎｏｆｄｉｓｃｈａｒｇｅｃｕｒｒｅｎｔｗｉｌｌｌｅａｄｔｏｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆａｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｏｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｉｏｎｓ，ｔｏｇｅｔｈｅｒｗｉｔｈｔｈｅａｇｇｒａｖａｔｉｏｎｏｆｂａｃｋｆｌｏｗｏｆｉｏｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｉｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｏｂｅｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｐｌａｓｍａａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅｄｉｆｆｕｓｉｏｎｏｆｔｈｅｔｈｒｕｓｔｅｒｐｌｕｍｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄ

6、ｓ：ｐｕｌｓｅｄｐｌａｓｍａｔｈｒｕｓｔｅｒ；ｐｌｕｍｅ；ｈｙｂｒｉｄｐａｒｔｉｃｌｅｆｌｕｉｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｍａｇｎｅｔｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ脉冲等离子体推力器（ＰｕｌｓｅｄＰｌａｓｍａＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ，ＤＳＭＣ）处理重粒子之间Ｔｈｒｕｓｔｅｒ，ＰＰＴ）是一种比冲高、功耗低、结构简单、的碰撞，以单元粒子法（ＰａｒｔｉｃｌｅｉｎＣｅｌｌ，ＰＩＣ）模控制方便的电磁推力器，非常适合用于微小卫星拟离子在外加及自洽电磁场中的运动。结合［３］的位置保持、姿态控制和编队飞行等任务，具有广ＤＳＭＣ和ＰＩＣ方法，将电子视为流体，

7、Ｇａｔｓｏｎｉｓ［１］阔的应用前景。提出了一种粒子－流体混合模拟方法，通过求解ＰＰＴ羽流中包含推进剂分解电离产生的电电势分布的泊松方程计算电场强度对ＰＰＴ羽流子、离子和中性粒子，羽流所引发的等离子体、电进行了二维轴对称模拟。Ｇａｔｓｏｎｉｓ的研究工作忽磁、热等环境会对航天器产生溅射腐蚀、沉积污略了磁场的影响，而且需要假定羽流场入口条件，染、电磁干扰和热负荷等效应，影响航天器的正常因此并不能对ＰＰＴ羽流场进行较好的预测。采［２］［４］工作，减少航天器的使用寿命。对ＰＰＴ羽流开用Ｇａｔｓｏｎｉｓ的羽流模型，钱中对ＰＰＴ的三维羽［５］展数值模拟研究有助于掌握羽流流

8、动特性，增进流场进行了初步计算，尹乐则以放电模型提供