微波等离子推力器真空羽流模拟计算

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1、文章编号：1006-279（32002）02-0021-04微波等离子推力器真空羽流模拟计算!韩先伟，毛根旺，何洪庆（西北工业大学航天工程学院，西安710072）摘要：粒子节点-直接模拟蒙特卡罗法（DSMC）是求解稀薄气体流动MPT具有功率范围宽（80~30000W），推力范围宽的数值模拟方法，采用轴对称硬球模型、随机取样频率法对微波等离（10-10~10N），比冲较高（6000~14000N·s/kg），等离子体子推力器（MPT）的真空羽流进行了数值模拟计算，为了提高计算效为自由悬浮状态（Free-FIoati

2、ng），热损失小，效率高（50!~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60!），且壁温不高，不存在电极烧蚀问题，结构材料不受MPT真空羽流的浓度、速度和温度分布进行了计算，并对羽流污染进限制，寿命长，与航天器兼容性良好等优点。由于航天器上行了分析。计算结果对以后MPT真空羽流场测试和航天器一体化的推进系统在真空条件下工作，其羽流会对航天器产生污设计提供了参考。染。MPT的羽流污染主要有：机械污染、热污染、沉积污染、关键词：蒙特卡罗法；粒子节点法；微波等离子推力器；羽流；数值模拟化学污染

3、和场污染等。其对航天器的正常工作产生不利的中图分类号：V439文献标识码：A影响，如污染光学视口、光学电子敏感元件、太阳能帆板、电路等，对电子设备、制导、通讯信号产生干扰，降低制导精度ThePIC-DSMCnumericalsimulationforvacuumplumeof和通讯能力。一定温度的羽流导致表面仪器过早老化，羽MPT流中的粒子附着和化学反应影响航天器的冲量损失，这些HANXian-wei，MAOGen-wang，HEHong-ging!CoIIegeofAstro-都会影响航天器的性能和寿命。对推力

4、器在真空环境条件nautics，NorthwesternPoIytechnicaIUniversity，Xi’an710072，China.下的羽流进行模拟计算，可为其羽流分布测试和空间应用一体化设计提供指导。文中采用PIC-DSMC方法对MPT羽Abstract：ThevacuumpIumeofMicrowavePIasmaThruste（rMPT）isnu-流场进行了数值模拟计算。mericaIIysimuIatedbyusingParticIeInCeII-DirectionSimuIationMonteC

5、arIomethod（PIC-DSMC）.TheaxiaIsymmetricandhardspheremodeIandran-2数值模拟计算方法domsampIingfreguencymethodareused.Inordertopromotetheefficiencyof根据气体分子动力学，对于稀薄气体分子的速率分布caIcuIationandsavetheEMSmemoryofthecomputer，therandomsampIing函数满足玻耳兹曼方程（BoItzmannEguation）。一般来说玻fre

6、guencymethodandweightedgridtechnigueareused.Thedistributionsof耳兹曼方程是一个七维非线性微分积分方程［1］，对于复杂veIocity，concentrationandtemperatureofMTPvacuumpIumearecaIcuIatd，andpoIIutionofpIumeanaIyzed.TheresuItscanprovidereferenceforthe问题是无法求解的。直接模拟蒙特卡罗（DirectionSimuIa-［2］是把稀薄气

7、体动力学中发testingofMPTvacuumpIumeandintegraIdesignofspacecraft.tionMonteCarIo—DSMC）方法Keywords：MonteCarIomethod；particIeinceIImethod；microwavepIas-生的现象视为某一随机过程，与流态无关。利用少量具有mathruster；pIume；numericaIsimuIation较大碰撞截面的模拟分子代替真实流场内数目众多的碰撞截面甚小的气体分子，用MaxweII随机分布规律（公式1）在1

8、引言单元网格中放置适当数量的粒子（分子），通过对每个单元微波等离子推力器（MicrowavePIasmaThruster—MPT）属网格中的每个粒子运动的跟踪和抽样，统计出每个单元网于电热型推进的一种，其工作原理是将电能通过微波功率格的平均物理参量，再对所有参数进行数值计算，然后再将源转换成微波能，然后在谐振腔中产生一定模式的谐振并计算后的参数返回到各自的单元网格中，继续