شبیه سازی عددی یک بعدی عملکرد رانشگر پالس پلاسمایی با پیشران جامد

نوع مقاله: طرح پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد مهندسی هوافضا گرایش جلوبرندگی، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیر طوسی، تهران، ایران

2 دانشیار ، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیر طوسی، تهران، ایران

چکیده

رانشگر پالس پلاسمایی، اولین رانشگر مورد استفاده در ماموریت‌های فضایی بوده است. در این سیستم‌ها به دلیل تخلیه خازن الکتریکی و عبور جریان قوی بین آند وکاتد، سوخت تجزیه شده و سپس با استفاده از میدان مغناطیسی القایی و اعمال نیروی لورنتس به ذرات پلاسما تبدیل و با شتاب‌گیری آن‌ها نیروی رانش تولید می‌کند. در این پژوهش به شبیه‌سازی یک بعدی یک رانشگر پالس پلاسمایی پرداخته شده است. روش عددی به‌کار رفته بر مبنای روش‌ عددی اینفلت، هارتن، لکس، ون لیر (HLLE) می‌باشد. از اثرات هال، فرایند یونیزاسیون، انتقال حرارت و لزجت صرف-نظر شده است. رسانندگی الکتریکی محیط و ضریب گذردهی خلاء ثابت فرض شده است. به منظور صحت به کارگیری روش عددی مورد استفاده در این پژوهش، مسئله‌ی ریمان مغناطیسی یک بعدی با عنوان مسئله لوله ضربه جهت صحه‌گذاری حل معادلات دینامیک سیالات مغناطیسی استفاده می‌گردد. معادلات حاکم برای یک شتاب‌دهنده مغناطیسی نمونه حل شده است. نتایج حل ارائه شده شامل توزیع چگالی، توزیع سرعت، توزیع فشار و توزیع میدان مغناطیسی در طول شتاب‌دهنده می‌باشد که مقایسه آن با نتایج عددی مشابه، نتایج رضایت بخشی را نشان می‌دهد. رانشگر پالس پلاسمایی، مورد تحلیل عددی واقع شده است. نتایج مربوط به منحنی‌های چگالی، فشار، میدان مغناطیسی و سرعت با رفتار فیزیکی مورد انتظار مقایسه شده و رضایت بخش می‌باشد. هم‌چنین نمودار توزیع دمای تفلون پس از رسیدن به دمای تصعید، با اعمال انرژی حرارتی از ناحیه پلاسما، با نتایج مرجع هم‌خوانی مناسبی دارد.

کلیدواژه‌ها


[1] Tsiolkovsky KE (1903) Exploration of the universe with reaction machines. NASA Tech 2: 212-349.

[2] Highway CJ, Johnson JE (1966) Analytical and experimental performance of  capacitor powered coaxial plasma guns. AIAA J 4(5): 823-830.

[3] Turchi PJ, Mikellides PG (1995) Modeling of ablation-fed pulsed plasma thrusters. 31th AIAA/ASME/SAE/ASEE 95-2915, San Diego.

[4] Mikellides YG (1999) Theoretical modeling and optimization of ablation-fed pulsed plasma thrusters. Ohio State University.

[5] Keidar  M, Boyd ID, Beilis  II (2000)  Modeling of a pulsed plasma thruster from plasma generation to plume far field. J Spacecr Rockets 37(3): 399-407.

[6] Martinez-Sanchez M (1991) The Structure of self- filed accelerated plasma flows. J Propul Power 7(1):87-1065. 

[7] Brio M, Wu CC (1988) An Upwind differencing scheme for the equations of ideal magnetohydrodynamics. J Comput Phys 75(2): 400-422.

[8] Stechmann DP (2007) Numerical Analysis of transient Teflon ablation pulsed plasma thruster. Master thesis, Worcester Polytechnic Institute.

[9] Dai W, Woodward P (1994) An approximation Riemann solver for ideal magnetohydrodynamics. J Comput Phys 111(2): 354-372