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摘要
月球着陆器登陆月球表面时,发动机羽流吹向月球表面会扬起月壤颗粒,并
产生月坑。飘扬在空中的月壤颗粒会对月球探测活动产生影响,例如使能见度下
降,破坏月表原始状态,损坏或影响测量装置,对宇航员的宇航服造成损伤等。
因此,羽流与月壤颗粒相互作用下月壤颗粒空间分布规律的研究十分重要。
本文在前期工作基础上,根据稀薄气体动力学中克努森数的理论公式计算整
个发动机流场的克努森数,分析真空环境下发动机羽流场的场划分。本文考虑月
壤颗粒间的相互碰撞条件,采用直接蒙特卡罗方法和固体颗粒轨迹运动方法的单
向耦合方法,通过 Fortran 编程计算月壤颗粒在流场中的空间分布。同时,考虑
质量守恒方程,也采用直接蒙特卡罗方法和固体颗粒轨迹运动方法的单向耦合方
法,通过 Fortran 编程分析月壤颗粒在流场中的空间分布。此外,对发动机羽流
场与月壤颗粒的双向耦合做了简单的定性分析。
假设月壤颗粒为两种直径大小的颗粒组成,通过计算得到了两种月壤颗粒在
考虑颗粒之间的相互碰撞和月壤颗粒扩散作用情况下的颗粒分布规律。结果表明,
考虑月壤颗粒相互碰撞后,改变了月壤颗粒原先比较规则的抛物线运动轨迹,颗
粒空间分布具有一定的随机性,并在距离喷管远端呈现“彗星尾巴”状的分布。
考虑扩散效应后,直径 70 微米月壤颗粒在运动到远处的过程中有逐渐扩散分布
和向上分布的趋势,并在距离发动机喷管较近处形成了明显的峰值。而直径 10
微米月壤颗粒与直径 70 微米月壤颗粒的扩散规律明显不同。本文工作为探月工
程中羽流与月壤相互作用的研究提供一定的研究参考。
关键词: 真空月壤颗粒碰撞扩散空间分布
ABSTRACT
When the Lunar Lander landing on the lunar surface, the engine plume will blow
on lunar surface, craters will appear and regolith particles will be raised. The regolith
particles which in the air will generate a lot of effects for lunar exploration activities,
including making visibility drop, destroy the lunar surface to its original state, damage
or affect the measurement devices and astronaut spacesuit. Therefore, the study of
regolith particles distribution cased by the interaction between plume and regolith
particles is very important.
In this paper, Knudsen number of flow field is calculated according to theory in
rarefied gas dynamics on the basis of the preliminary work, and field division is
analyzed in vacuum environment. Using the direct method of Monte C