霍尔推进器羽流的数值模拟

发布时间：2017-09-27 01:26

  本文关键词：霍尔推进器羽流的数值模拟

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【摘要】：霍尔推进器具有比冲高和寿命长等特点,特别适用于航天器执行如卫星的位置保持和阻力补偿等任务以及作为深空探测器的主推进系统,已经成为近年来研究航天推进器领域的热点。不同于以往化学推进器羽流,霍尔推进器羽流呈等离子体态,羽流场的电磁场氛围以及羽流粒子与航天器表面相互作用会直接影响到航天器工作性能。因此,研究霍尔推进器羽流场与航天器之间的作用具有重要意义。本文将建立霍尔推进器的羽流的数值模拟模型,研究羽流粒子与航天器之间的相互作用对航天器工作的影响。本文采用IFE-PIC-MCC数值模拟方法建立起SMART-1卫星的霍尔推进器羽流的三维数值模型,模拟得到羽流各类粒子在航天器周围的分布情况,重点研究羽流中CEX离子的产生和运动规律,并且分析CEX离子对航天器表面的产生的干扰力和热载荷的影响。采用DSMC方法对中性原子运动及其之间的相互碰撞进行数值模拟,得到中性原子在羽流场中的平衡分布;采用MCC碰撞模拟电荷交换碰撞生成CEX离子的过程;采用PIC方法模拟CEX离子在电场力作用下的运动情况;分别采用IFE方法和玻尔兹曼法求解电场,仿真模拟得到各自的CEX离子的运动分布,并对结果进行了对比分析。本文通过采集撞击到航天器的CEX离子的速度、位置和能量分布,计算不同条件下CEX离子对SMART-1卫星表面和太阳能帆板表面的热载荷和作用力的数值大小,并且对其规律加以分析。结果表明:随着太阳能板转动角度的增大,CEX离子撞击太阳能板产生的干扰力和热载荷都会有一些减小。当太阳能帆板表面的法线方向与束流离子的运动方向垂直时,太阳能帆板获得的CEX离子带来的热量最少。太阳能帆板处于相同的位置条件下,随着羽流发散角的增大,航天器主体表面受到的CEX离子的干扰力和热载荷的变化趋势分别与太阳能帆板表面受到的CEX离子的干扰力和热载荷的变化趋势相反,而航天器主体表面受到的干扰力则会轻微地增大。但是CEX离子对航天器的最大干扰力不超过霍尔推进器主推力的1%。
【关键词】：霍尔推进器 羽流 IFE-PIC-MCC 热载荷 干扰力
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V439.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 研究背景8-11
• 1.1.1 霍尔推进器概述9-10
• 1.1.2 霍尔推进器羽流10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 国外霍尔推进器羽流研究现状11-14
• 1.2.2 国内霍尔推进器羽流研究现状14-15
• 1.3 主要研究内容15-17
• 第2章 霍尔推进器羽流数值模拟的相关理论17-30
• 2.1 引言17
• 2.2 霍尔推进器羽流的组成成分17-18
• 2.3 霍尔推进器羽流与航天器之间的相互作用18-19
• 2.4 霍尔推进器羽流的动力学模型19-24
• 2.4.1 等离子体的德拜长度19-20
• 2.4.2 羽流的电磁场计算模型20-21
• 2.4.3 电子分布模型21-22
• 2.4.4 羽流粒子之间的碰撞模型22-24
• 2.5 粒子运动的相关数值模拟方法24-26
• 2.5.1 PIC方法简介24-25
• 2.5.2 电荷分配25-26
• 2.5.3 运动方程的数值求解26
• 2.6 羽流粒子之间碰撞的数值模拟方法26-29
• 2.6.1 MCC算法27
• 2.6.2 DSMC算法27-29
• 2.7 本章小结29-30
• 第3章SMART-1 卫星羽流的三维数值模型30-49
• 3.1 引言30
• 3.2 SMART-1 月球探测器简介30-31
• 3.3 初始设置31-35
• 3.3.1 SMART-1 卫星的结构模型31-32
• 3.3.2 参数的无量纲化32-34
• 3.3.3 计算区域设置与PIC网格划分34-35
• 3.3.4 边界条件的设置35
• 3.4 CEX离子产生的数值模拟35-42
• 3.4.1 羽流数值模拟计算的初始参数36
• 3.4.2 束流离子的仿真模拟36-39
• 3.4.3 中性原子的仿真模拟39-40
• 3.4.4 CEX离子的生成40-42
• 3.5 两种不同的电场求解方法下的CEX离子的分布42-47
• 3.5.1 羽流电场求解的数值模拟方法42-43
• 3.5.2 计算区域内的电势分布43-44
• 3.5.3 CEX离子在计算区域内的分布44-45
• 3.5.4 CEX离子在卫星表面的分布45-47
• 3.6 本章小结47-49
• 第4章CEX离子对航天器的作用力和热载荷影响49-63
• 4.1 引言49
• 4.2 作用力和热载荷的数值计算49-50
• 4.3 CEX离子对SMART-1 的作用力和热载荷50-62
• 4.3.1 太阳能帆板转动角度的改变产生的影响50-57
• 4.3.2 羽流发散角的改变产生的影响57-62
• 4.4 本章小结62-63
• 结论63-65
• 参考文献65-70
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果70-72
• 致谢72

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本文编号：926894