蔡国飙 贺碧蛟

（北京航空航天大学宇航学院）

1 引言

飞船、空间站等大型航天器具有质量大、舱段多的特点，其上需要布置多块太阳能帆板才能满足航天器对电力的需求。由于帆板数量较多，对与部分发动机距离较近的帆板，发动机真空羽流会对其产生较大的气动力和力矩作用。为了对发动机真空羽流效应进行数值模拟，必须针对不同的流动状态建立相应的数学物理模型，并采用与之相应的数值模拟方法。目前能够比较成功地模拟真空羽流效应的研究方法是直接模拟蒙特卡罗方法[1]（DSMC）。

国外针对发动机羽流问题的研究开展得比较早，开发了一系列基于DSMC的模拟计算软件，其中比较典型的通用计算软件有：由美国约翰逊航天中心（Johnson Space Center）的 LeBeau[2-4]等人开发的DAC（DSMC Analysis Code）软件，由俄罗斯理论与应用机械研究所（the Institute of Theoretical and Applied Mechanics）的 Ivanov[5]等人开发的 SMILE（Statistical Modeling In Low-density Environment）软件，由美国Cornell大学的Dietrich和Boyd等人开发的MONACO 计算软件[6，7]等。

文章所介绍的基于 DSMC的 PWS（Plume WorkStation）羽流计算软件是依据模块化的原则，适当引入面向对象的编程思想，特别设计具有较强通用性的粒子边界处理模块，实现PWS软件在羽流模拟计算的通用化，并在国外“CUBRC”试验研究的基础上开展试验验证工作。使用PWS软件就神舟飞船120N平移发动机羽流对太阳能帆板气动力效应进行了数值模拟研究，并且对比了由不同帆板角度对作用在帆板中心点的力和力矩影响。

2 羽流数值模拟模型和方法

流场依据Knudsen（Kn）数划分为三大领域，即连续流区领域（Kn＜0.1）、过渡领域（0.1＜Kn＜10）和自由分子流领域（Kn＞10）[8]，Kn= λ/L，其中 λ 是平均分子自由程，L为流动特征长度。……