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摘要
在月球探测器着陆过程中，发动机羽流与月面相互作用后溅起的月尘是探月任务中月尘危害的主要来源。研究特定任务中月面风化层的羽流扬尘特性不仅能定量分析月面风化层的侵蚀特性，还可为后续探月任务提供月尘防护策略。基于以上研究目的，以嫦娥五号发动机喷管地面羽流测试数据作为仿真入口条件，采用计算流体动力学（CFD）两阶段法建立了嫦娥五号任务中使用的喷管1:1模型和真空羽流扩散侵蚀模型，研究了羽流在喷管内的流动特性和真空羽流流动特性；基于剪切应力模型，研究了喷管在不同降落高度下的侵蚀速率；采用欧拉—拉格朗日方法，自编程月尘曳力模型，通过羽流—颗粒耦合方式计算了发动机距离月面高度为0.5m～2.0m范围时，粒径为1μm和70μm月尘颗粒的运动轨迹、扬尘角和速度特性。研究结果表明，喷管出口处流场对应的推力值与嫦娥五号实际发生侵蚀时的推力一致，验证了流场仿真与实验结果的一致性。基于剪切应力得到的最大侵蚀速率为8.83kg/m~(2)·s，随着高度增加，侵蚀速率降低，与嫦娥五号降落相机相同高度下的分析结果一致。粒径为1μm的月尘颗粒最大扬尘高度为0.72m，最大速度为2520m/s，70μm月尘颗粒最大扬尘高度为0.36m，最大扬尘速度为1010m/s。不同粒径月尘的扬尘角范围为1.44°～2.27°，同一粒径的月尘颗粒扬尘角和速度随着发动机高度增加而减小，计算的扬尘高度角与Apollo探月任务中的结果相近。
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单位机电工程学院; 兰州空间技术物理研究所; 西安电子科技大学
