脉冲等离子体推力器内部流场的数值分析.pdf

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1、第40卷第1期2014年2月火箭推进JOURNALOFROCKETPROPUI．SIONV01．40，No．1Feb．2014脉冲等离子体推力器内部流场的数值分析谢泽华，周进，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：应用所建立的广义拉格朗日乘子形式的磁流体力学模型对平行电极型脉冲等离子体推力器的内部流场进行了数值研究。对等离子体流动过程的分析表明，放电初期等离子体在很强的电磁力作用下高速喷出推力器，而到放电后期等离子体受到的气动力比电磁力大得多，等离子体的运动非常缓慢。电磁冲量占推力器元冲量的大部分，增强电磁加速作用可以进一步提高推力器的性能。关键词

2、：脉冲等离子体推力器；磁流体力学模型；流动过程；数值分析中图分类号：V439+．2文献标识码：A文章编号：1672—9374(2014)01—0039—06NumericalanalysisofinnerflowfieldofpulsedplasmathrusterXIEZe-hua，ZHOUJin，LIZi-ran(KeyLaboratoryofScramjetTechnology,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073，China)Ah舾ct：Amagnetohydrodynamicsmodelintheformofthe

3、generalizedLagrangemultiplierWaSadoptedtosimulatetheinnerflowfieldofapulsedplasmathrusterwithrectangulargeometry．Analysesontheflowprocessofplasmashowthattheplasmaisacceleratedtoahighvelocitytoejectfromtheelectrodechannelunderthestrongelectromagneticaccelerationinthebeginningofthedis-charge．Bycontra

4、stwiththis，theplasmamovesdownstreamslowlyinthelaterperiodofthedis-chargewhenaerodynamicforceinsteadofelectromagneticforcedominatestheaccelerationprocess．Itindicatesthattheelectromagneticimpulseaccountsforthemajorityoftheimpulsebitofthethruster,andthattheperformanceofthiskindofthrusterwouldbenefitfr

5、omtheenhancementofelec．tromagneticaccelerationeffects．Ir∞-yworda：pulsedplasmathruster；magnetohydrodynamicsmodel；flowprocess；numericalaria-lysis收稿日期：2013-09-02；修回日期：2013—11-01基金项目：国家自然科学基金资助项目(11172327)作者简介：谢泽华(1984一)，男，博士研究生，研究领域为先进火箭推进技术与工程火箭推进2014年2月0引言脉冲等离子体推力器(PulsedPlasmaThrus．ter,P网是一种比冲高、功耗低

6、、结构简单、控制方便的电推进装置，可以广泛应用于微小卫星的姿态控制和轨道保持等任务，是微小卫星推进技术研究的热点和重要方向之一【”。PPT利用电容器的脉冲放电烧蚀或加热推进剂并使其电离形成等离子体，等离子体在电磁力和气动力作用下从电极间加速喷出推力器，产生脉冲推力。PPT的工作过程涉及电磁、流动、传热、电离和复合等复杂的物理现象，大量不同时间和空间尺度的动力学行为之间存在着强烈的非线性耦合作用，难以进行理论分析；而实验测量又受到脉冲时间短、电磁干扰强和测量手段少等因素制约，使得对PPT工作过程的很多内在机理缺乏清楚的认识，限制了推力器工作性能的改善和提升。随着计算机技术的高速发展，经济性好、

7、适应性强的数值模拟方法受到越来越多的重视，成为PFr工作过程研究十分重要的手段。目前对PPT数值研究通常都是基于机电模型或磁流体动力学(magnetohydrodynamics，MHD)模拟方法，其中机电模型对PPT的工作过程做了极大简化，只适用于推力器的性能预估和初步设计，而以2}维计算程序MACH2为代表的MHD研Z究工作也比较初步，并没有揭示出推力器中复杂的等离子体流动状况，而等离子体的流动特性直接关系