电动帆平行双导线鞘层特性与受力分析

摘要

太阳风等离子体与偏压导线电场间的相互作用是电动帆推力器的基本工作机理.采用二维粒子模拟方法分别对垂直入射和斜入射太阳风等离子体与平行双导线间的动量传递过程开展数值模拟,对比分析了不同条件下耦合电场及偏转离子的运动轨迹及其对动量传递的影响.结果表明:偏压导线的高电势会在导线附近形成离子空洞并向下游扩展;两根导线间由于鞘层相互影响而形成离子阱结构,减速、滞止、反射部分离子;在1kV的导线偏压和太阳风垂直入射条件下,两根帆导线受力约为30 nN/m;随着导线间距增大,离子阱中约束离子数量表现出先增大后减小的趋势,电动帆推力亦随之先增大后减小;太阳风斜入射情况研究,首次从等离子体动力学仿真出发,确定了电动帆推力受帆姿态影响,可分为沿太阳风方向的水平推力和垂直太阳风方向的升力两个分量;明确了升力与俯仰角α的关系,当电动帆导线平面顺着太阳风方向右倾时,升力小于0,而当电动帆导线平面逆着太阳风方向左倾时,升力大于0;明确了推力角θ变化趋势和范围,随俯仰角α的增大呈现出先减小后增大的非线性变化趋势,大小为-40°＜θ＜40°.研究结果明确了电动帆的推力矢量及其随姿态的变化,对电动帆航天器轨道动力学的优化设计提供了重要参考.