Застосування статистичного методу пробних частинок для моделювання розріджених струминних течій у вакуумі

Анотація

У статті обґрунтовано важливу роль проблеми витоку надзвукового струменя у вакуум в задачах керування рухом центру мас, орієнтації та стабілізації положення космічних літальних апаратів в просторі. Розглянуто види двигунів малої тяги та мікроракетних двигунів, струмені з яких можуть проходити всі режими від суцільного до вільномолекулярного. В зонах, де рух описується на молекулярно-кінетичному рівні, найчастіше використовуються статистичні методи. Статистичний метод пробних частинок (МПЧ) до сих пір застосовувався тільки у розріджених однорідних потоках. Метою даної роботи є розвиток МПЧ для чисельного моделювання струминних течій. Нижче наведено основні положення МПЧ та необхідні зміни його алгоритму.              Початковий розіграш траєкторій молекул здійснюється або зі зрізу сопла (при відсутності щільного ядра) або з початкової поверхні, яка є умовною межею зони суцільності. Визначення розподілів по поверхні розіграшу координат старту та масової швидкості струминного потоку є визначальними для отримання адекватних результатів. Серед розглянутих варіантів старту найбільш реалістичним є нерівномірний зі скупченням на осі струменю. Розрахунок масової швидкості струминного потоку на початковій поверхні може здійснюватися за допомогою чисельних методів континуальної аеродинаміки, або за допомогою наближених методів.             Тестування МПЧ у дальньому полі розрідженого азотного струменю здійснювалося шляхом порівняння розподілу відносної щільності з даними наближеного методу. Результати, отримані при наявності початкової сфери і при її відсутності, узгоджуються між собою. Тестування МПЧ в прилеглій до сопла зоні здійснювалося шляхом порівняння ізоліній відносної щільності та чисел Маха з результатами прямого моделювання Монте-Карло для умов експерименту витоку гелію з двигуна малої тяги у вакуум. Отримано задовільну відповідність даних чисельного моделювання МПЧ з порівнювальними даними.