太阳风磁帆推进性能数值研究

作     者：蔡静媛 李来 朱桂平 CAI Jingyuan;LI Lai;ZHU Guiping

作者机构：南京航空航天大学航天学院南京210016 

出 版 物：《航空动力学报》 (Journal of Aerospace Power)

年 卷 期：2023年第38卷第4期

页      面：850-859页

核心收录：

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主　　题：磁帆 磁流体动力学(MHD)推进 太阳风速度 离子数密度 攻角 

摘      要：利用考虑行星际磁场作用的磁流体动力学模型,建立了磁帆三维数值模拟方法,对计算方法的可靠性进行了验证,发现了线圈尾部的磁重联现象,研究了太阳风来流速度、等离子体离子数密度以及攻角对磁帆推进性能的影响。得出以下结论:不同速度、不同离子数密度的太阳风主要通过改变z方向电流的大小改变洛伦兹力,进而影响磁帆的推进性能:太阳风离子数密度恒定时,随着来流速度由30 km/s逐渐增大至75 km/s,z方向电流最大值由4 205 A/m~2增至14 709 A/m~2,磁帆所受推力由3.39 N增至13.40 N;太阳风来流速度恒定时,随着离子数密度由1.8×10^(19) m^(-3)增大至4.5×10^(19) m^(-3),z方向电流最大值由6 039 A/m~2增至10 585 A/m~2,磁帆所受推力由6.62 N增至12.27 N。磁帆攻角变化,主要通过磁场构型的变化影响磁帆推进性能:攻角为0°和90°时的磁层半径分别为0.14 m和0.18 m,磁帆所受推力分别为6.62 N和11.03 N,由此推测实际应用中保持线圈轴线与太阳风来流方向平行,可获得更大推力。系统研究了相关因素对磁帆推进性能的影响,可为磁帆的推力调节研究提供参考和支持,对未来磁帆的深入研究具有重要的参考价值。