电弧推力器流场的数值计算

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1、第36卷第2期2010年4月火箭推进JOURNAl．OFROCKETPROPULSIONV01．36，No．2Apr．2010电弧推力器流场的数值计算王飞1，周前红2，郭少峰2，韩先伟1(1西安航天动力研究所，陕西西安710100；2复旦大学现代物理研究所等离子体试验室，上海200433)摘要：在流体计算软件fluent的微分方程中加入电磁项，可以计算电磁场作用下的流场。本文介绍了电弧推力器的理论模型，计算了电弧流场，并将计算结果和试验数据进行比较。分析了欧姆加热对提高工质气体比冲、降低推进剂消耗的作用，并根据流

2、场温度分布，估计了电弧对电极的热烧蚀情况，提出了相应的解决方案。关键词：电弧推力器；数值计算；电极烧蚀中图分类号：V439文献标识码：A文章编号：(2010)02—0020—06NumericalcalculationofflowfieldofarcjetWangFeil，ZhouQianhon92，GuoShaofen92，HanXianweil(1Xi'anAerospacePropulsionInstitute，Xi'an710100，China；2PlasmaLaboratory，InstituteofM

3、odemPhysicsofFudanUniversity，Shanghm，200433，China)tkl∞ll'aet：FlowwithelectromagneticfieldCallbecalculatedbyFluentsimulationsoftwareim—provedwithelectromagneticitem．％etheoreticmodelispresented．ResearchofthermalflowfieldofarcjetiSdonethroughthenumericalsimulati

4、onmethod．Thesimulationresultsarecomparedwithexperimentdata．neheatingeffectofplasmatorchforimprovingimpulseandsavingpropellantisevaluated．’111eablationofelectrodeisestimatedbasedoncalculationresultsoftemperature．Keywords：arcjet；numericalcalculation；erosionofel

5、ectrode收稿日期：2009-09-01；修回日期：20104)44)1。作者简介：王飞(198l一)，男，工程师，研究领域为电弧等离子体发生器模拟计算。第36卷第2期王飞，等：电弧推力器流场的数值计算210引言电弧推力器是利用电弧加热工质气体，使气体膨胀，喷射出去，从而产生推力的动力装置。它可以将经由太阳能电池板转换得到的电能转化为飞行器的动能，为深空探测和飞行器姿态控制提供动力。电弧推力器和化学推力器的兼容性好，可以直接由燃料箱中获得推进剂。与化学推进系统相比，电弧推进系统在轨道姿态控制方面有更多的优势：

6、比冲高、控制精度高等。低功率电弧推进系统在地球同步轨道卫星上得到了广泛应用ll-Zl。本文对电弧推力器进行了详细的数值分析。将计算结果与已发表的实验结果进行比较。讨论了推力器的结构设计和材料选择，分析了增加电弧稳定性、减少热能损失、提高推进效率的措施。1基本物理模型对于所有的流体计算，都是解质量和动量守恒方程。如果包括热传导或可压性的流动，需要解能量守恒的附加方程。1．1基本假设为减少数值模拟工作的难度，需要对电弧等离子体中的传热与流动规律作一些简化。本文后面电弧的结果都基于如下的假定：(1)电弧等离子体可以看作

7、准平衡的连续介质，流动和传热用Navier-Stokes方程描述；(2)电弧等离子体为定常流动，给定点的等离子体状态由温度和压力值来确定；(3)等离子体的各种属性，即其密度、定压比热、粘性系数、热导率、电导率等物性参数都是温度和压强的函数；(4)等离子体为二维轴对称、带旋转的流动；(5)不考虑电极鞘层的影响；(6)用净辐射系数计算辐射的能量损失；(7)重力可忽略不计。1．2电弧热等离子体的磁流体力学描述热等离子体中各粒子间相互碰撞足够剧烈，以致于可以象连续介质一样用流体力学的守恒方程描述。但热等离子体本身的特性，

8、使描述热等离子体的控制方程与普通流体有以下主要区别：(1)由于等离子体与电磁的可作用性，热等离子体的控制方程中要考虑电磁方程；(2)热等离子体中的电流密度很高，所以能量方程中有很强的欧姆加热效应；(3)热等离子体的温度可达I(PK量级，这就使得辐射在冷却效应中会起主导作用，特别是在大尺度电弧等离子体中，辐射引起的能量输运相当可观；(4)由于在热等离子体中，温度和压强的变化