نوع مقاله : مقالة‌ تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

1 دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی - دانشکده مهندسی هوافضا

2 گروه طراحی سامانه های فضایی، پژوهشکده سامانه های ماهواره، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایران

3 دانشجوی دانشکده مهندسی هوافضای دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی

چکیده

جریان گازهای خروجی از پیشرانه‌های فضایی در برخورد با اجزای فضاپیما، می‌تواند اثرات مخربی از جمله، نیرو و گشتاور اغتشاشی، شار گرمایی و رسوب ذرات بر روی سطوح حساس، برجای بگذارد. هدف از این مقاله، استفاده از روش شبیه‌سازی مستقیم مونت کارلو (DSMC)، جهت تحلیل جریان خروجی از پیشرانه‌‌ها و بررسی تاثیرات آن می‌باشد. در این مقاله، از کد سه‌بعدی ارتقاء‌یافته‌ی برد (Bird) با شبکه‌بندی بی‌سازمان استفاده شده است. این کد توسط جریان جت صوتی نیتروژن برخوردکننده به صفحه‌ی تخت، اعتبارسنجی شده است. نتایج حاصل نشان می‌دهد که کد محاسباتی توسعه‌یافته، از صحت و دقت لازم برخوردار است. همچنین در این تحقیق ماهواره‌ای به صورت نمونه مدلسازی شده، اثرات گازهای خروجی از پیشرانه تک سوختی هیدرازین بر اجزای آن مشخص شده و همچنین تاثیرات جابجایی جزیی محل پیشرانه‌ها بر نتایج مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بدست آمده حاکی از آن است که جابجایی 20 درصدی محل پیشرانه‌ها می‌تواند نیروها و گشتاورهای اغتشاشی را تا 15درصد مقدار اولیه تغییر دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

3-dimensional Direct Simulation Monte Carlo Simulation of Thruster Plumes

نویسندگان [English]

  • hamed Alisadesghi 1
  • Ehsan Zabihian 2
  • Azade khadivi 3

1 aerospace department of K.N.Toosi University of Technology

2 space system group/satellite research institute/ Iranian space research center/tehran/iran

3 Aerospace Department of K.N. Toosi University of Technology

چکیده [English]

The interaction of thruster plumes with satellite components can have undesirable effects, such as disturbance force/torque, thermal loading, and species deposition in the surfaces. The purpose of this paper is to use the Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) method to analyze the 3D plume impingement flows and investigate its effects. Two impingement problems are computed. The impact of a jet of nitrogen on an inclined flat plate is considered. Good agreement is found between surface quantities calculated by DSMC and experimental data. The plume of a hydrazine control thruster firing in a model satellite configuration is simulated. Surface quantities and net impingement effects are calculated. The effects of partial displacement of the thruster locations on the results have also been investigated. The results show that a 20% displacement of the thruster location can change the disturbance force/torque by up to 15% of the initial values.

کلیدواژه‌ها [English]

  • space propulsions
  • Direct Simulation Monte Carlo
  • plume impingement flows
  • Satellite
  • DSMC
  1. K. C. Kannenberg and I. D. Boyd, “Three Dimentional Monte Carlo Simulations of Plume Impingement” Journal of Thermophysics and Heat Trnasfer, Vol. 13, No. 2, 1999.
  2. H. Park, S. W. Beak, “ DSMC Analysis of the Interaction Between Thrauster Plume and Satellite Components, 40th AIAA Aerospace Sciences Meeting & Exhibit,0794- 2002.
  3. H. Park, S. W. Beak, “ Direct Simulation Monte Carlo Analysis of Thruster Plumes/Satellite Base Region Interaction”, AIAA Journal, Vol. 42, No. 8, August 2004.
  4. Kyon Ho Lee, Seok Weon Choi, “ Interaction effect analysis of thruster plume on LEO satellite surface using parallel DSMC method”, Computers and Fluids, 80, pp. 333-341, 2013.
  5. Kyon Ho Lee, “ Satellite Designe Verification Study Based on Thruster Plume Flow Impingement Effects Using Parallel DSMC Method ”, Computers and Fluids, 173, PP. 88-92, 2018.
  6. Kyon Ho Lee, “Comparision Study of Exhoust Plume Impingement Effects of Small Mono- and Biperopellant Thrusters Using Parallelized DSMC Method ” , PLoS One, 12, N. 6, 2017.
  7. A BIRD , Molecular Gas Dynamic and the Direct Simulation of Gas Flow, Oxford University Press,1996.
  8. Kyon Ho Lee, “Plume influence analysis of small bipropellant thruster on solar array of GEO satellite”, PLoS One, 13, N. 9, 2018.
  9. Andrews, L. Berthoud, “Characterising satellite aerodynamics in Very Low Earth Orbit inclusive of ion thruster plume-thermosphere /ionosphere interactions”, Acta Astronautica, Vol.
  10. Zhang, G. Cai, H. Zheng, B. He and H. Weng, “Analysis of influencing parameters in ion thruster plume simulation”, SAGE, Journal of Aerospace Engineering, Vol. 235, N. 10, pp. 1158-1169, 2021.