月面着陆过程中火箭发动机羽流形态演化数值研究
摘要
在月球探测器着陆过程中，火箭发动机羽流会不断侵蚀月面风化层，导致大量月尘
颗粒向四周扩散，对周围环境造成一定影响。除此之外，当探测器下降到较低高度时，
偏转的羽流会撞击到探测器的部分组件，羽流施加的力矩与热流可能会对这些组件产生
不利影响。研究着陆过程中的火箭发动机羽流形态演化可以更直观了解羽流的影响。由
于月球大气环境极其稀薄，因此月面环境可以看作真空环境。高真空、低重力的环境使
得在地面利用实验研究羽流形态演化带来的影响非常困难，因此数值模拟方法在该研究
中不可或缺。本文通过区域解耦的方式联合有限体积法求解Navier-Stokes（N-S）方程
与直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法对月面着陆过程中火箭发动机羽流形态演化展开数
值研究，主要研究内容如下：
（1）在不同发动机悬停高度下羽流形态研究中，总结了不同发动机悬停高度对应
的羽流形态特点，并分析了月面受力受热变化。研究发现，喷管喉部处产生的斜激波会
对羽流形态产生重要影响。斜激波规则相交产生透射激波，透射激波与表面激波的相互
作用对羽流形态影响较小，但会对月面压强、剪切应力、热流密度分布造成一定影响。
当斜激波由规则相交转变为马赫相交时，羽流形态发生明显改变，表面激波形状不再呈
“弓形”，羽流场中出现滞止泡，月面压强、剪切应力、热流密度分布随之发生明显改
变。
（2）在月面温度与倾斜角度对羽流形态影响研究中，比较了不同月面温度、月面倾
斜角度下的羽流形态以及相应的月面受力受热情况，发现月面温度的变化对羽流形态几
乎没有影响，只会改变月面热流密度峰值大小。而月面倾斜角度的变化会对羽流形态产
生一定影响，在更靠近发动机的月面一侧，表面激波倾斜角更大，激波强度更大。并且
对于不同发动机高度，由于羽流形态的差异，月面倾斜角度变化对月面受力受热的影响
并不一致。
（3）在羽流形态演化对月面侵蚀速率影响研究中，总结了发动机高度下降过程中
的月面侵蚀速率变化规律，并对月面倾斜角度变化对月面侵蚀速率的影响进行了分析。
发现月面侵蚀速率随发动机高度下降而增大，月面倾斜角度变化会改变侵蚀速率峰值的
大小与位置，并且当羽流场中出现滞止泡时，月面侵蚀速率出现陡增，月面侵蚀速率分
布由单峰分布转变为双峰分布。
哈尔滨工程大学硕士学位论文
关键词：月面环境；火箭发动机羽流；形态演化；马赫相交；表面激波。
月面着陆过程中火箭发动机羽流形态演化数值研究
Abstract
Duringthelandingprocessofalunarprobe,therocketexhaustplumeconstantlyerodes
thelunarregolith,causingalargeamountoflunardustparticlestospreadout,whichhasa
certainimpactonthesurroundingenvironment.Inaddition,whentheprobedescendstoalower
altitude,thedeflectedplumewillstrikesomecomponentsoftheprobe,whichmaybeadversely
affectedbythetorqueandheatfluxexertedbytheplume.Thestudyonthemorphology
evolutionofrocketexhaustplumeduringlandingcangiveamoreintuitiveunderstandingof
theimpactofplume.Becausethebackgroundatmosphereonthemoonisnegligiblythin,the
lunarenvironmentcanberegardedasavacuum