太阳风磁帆推进性能数值研究

利用考虑行星际磁场作用的磁流体动力学模型,建立了磁帆三维数值模拟方法,对计算方法的可靠性进行了验证,发现了线圈尾部的磁重联现象,研究了太阳风来流速度、等离子体离子数密度以及攻角对磁帆推进性能的影响。得出以下结论:不同速度、不同离子数密度的太阳风主要通过改变z方向电流的大小改变洛伦兹力,进而影响磁帆的推进性能:太阳风离子数密度恒定时,随着来流速度由30 km/s逐渐增大至75 km/s,z方向电流最大值由4 205 A/m~2增至14 709 A/m~2,磁帆所受推力由3.39 N增至13.40 N;太阳风来流速度恒定时,随着离子数密度由1.8×10^(19) m^(-3)增大至4.5×10^(19) m^(-3),z方向电流最大值由6 039 A/m~2增至10 585 A/m~2,磁帆所受推力由6.62 N增至12.27 N。磁帆攻角变化,主要通过磁场构型的变化影响磁帆推进性能:攻角为0°和90°时的磁层半径分别为0.14 m和0.18 m,磁帆所受推力分别为6.62 N和11.03 N,由此推测实际应用中保持线圈轴线与太阳风来流方向平行,可获得更大推力。系统研究了相关因素对磁帆推进性能的影响,可为磁帆的推力调节研究提供参考和支持,对未来磁帆的深入研究具有重要的参考价值。