مطالعه عددی فرآیند گذرا و متقارن محوریِ الکترواسپری در حالت مخروط-جت برای کاربرد در یک میکرورانشگر

تولید نیروی لازم جهت انتقال، جابجایی و کنترل وضعیت وسایل فضایی از جمله مسائل مهمی است که توسعه کاربردهای مختلف در عرصه فضایی مستلزم دسترسی به فناوری‌های مرتبط با آن است. بعد از خروج وسیله فضایی از جو و قرارگیری آن در مدار، رانشگرهایی با سطح نیرویی پایین جهت تامین نیروی لازم برای تنظیم وضعیت و اصلاحات مداری و به طور کلی کنترل وسیله فضایی مورد نیاز هستند. امروزه با مطرح شدن ایده منظومه ماهواره¬ای در مدارهای جوی پایین، ضرورت دستیابی به رانشگرهایی با قابلیت تولید نیروی رانشی بسیار پایین در سطح میکرونیوتون نیز اجتناب ناپذیر می¬نماید. در این راستا، رانشگر الکترواسپری به عنوان یکی از انواع رانشگرهای الکتریکی گزینه¬ای است که جهت تولید نیروی رانش از مرتبه‌ی میکرونیوتون برای شکل¬دهی دقیق پروازی برای مجموعه¬ای از وسایل فضایی مطرح شده¬اند. اساس کارکرد یک سامانه الکترواسپری بر چهار مرحله¬ی اصلی شامل باردارسازی الکتریکی جریان مایع (به عنوان پیشرانه)، شکل‌گیری پروفیل مخروط-جت، اتمیزاسیون الکترواستاتیکی مایع برای تولید ریزقطرات باردار و نهایتا کشش و شتابدهی ریزقطرات استوار است. تحقیق حاضر مبتنی بر مطالعه فرآیند مذکور بر پایه¬ی شبیه‌سازی عددیِ آن جهت دستیابی به تحلیلی فیزیکی از موضوع است که تا بررسی تولید نیروی تراست در یک سامانه الکترواسپری را در بر می-گیرد. بر این اساس تدوین، ایجاد و توسعه یک حل‌گر الکترواسپری در نرم افزار متن‌بار اپن‌فوم صورت پذیرفت که معادلات حاکم بدون ساده‌سازی و به طور کامل حل شده‌اند. این حل‌گر از منظر ارزیابی صحت و دقت عملکرد و قابلیت، در فرآیندی مورد اعتبارسنجی در مقایسه با نتایج تجربی قرار گرفته که توافق خوبی را به نمایش می¬گذارد. پس از حصول اطمینان از این موضوع، در تحقیق حاضر و در مرحله نخست تحلیل پارامتریک فرآیند الکترواسپری در حالت مخروط-جت و در پیکربندی¬های امیتر-دیسک و امیتر-رینگ مورد مطالعه قرار می¬گیرد. در این شبیه‌سازی نقش و تاثیر چهار دسته¬ی کلی از پارامترهای مختلف بررسی می¬شوند. این پارامترها شامل پارامترهای عملکردی (دبی و پتانسیل الکتریکی)، خواص فیزیکی (هدایت الکتریکی ویژه، گذردهی نسبی، چگالی، لزجت دینامیکی و ضریب کشش سطحی)، پارامترهای هندسی (طول امیتر، قطر امیتر، فاصله امیتر تا دیسک، قطر دیسک، قطر داخلی/خارجی و ضخامت رینگ) و شرایط محیطی (فشار محیطی و نوع گاز) می¬باشند. در این شبیه‌سازی‌ها سیالات مورد استفاده غالبا هپتان و هوا بوده و دبی ورودی در محدوده mLh-1 1/0 تا mLh-1 0/12 و پتانسیل الکتریکی در محدوده V2000 تا V6000 قرار دارند. شکل‌گیری حالتِ مخروط-جت، طول مخروط-جت، اندازه ریزقطرات و الگوی جریان در داخل و خارج از پروفیل مایع از جمله مواردی هستند که تحت تاثیر این پارامترها مورد تحلیل قرار می¬گیرند. در مرحله دوم، شبیه‌سازی فرآیند الکترواسپری در پیکربندی امیتر-کشنده و امیتر-کشنده-شتاب‌دهنده برای بررسی میزان نیروی رانشی تولید شده مورد مطالعه قرار می¬گیرد. این مطالعه مبتنی بر تاثیر پذیری نیروی رانشی از دبی و پتانسیل الکتریکی در دو پیکربندی امیتر-کشنده و امیتر-کشنده-شتاب‌دهنده می¬باشد که تاثیر حضور یا عدم حضور الکترود شتاب‌دهنده بر تولید نیروی رانش را نیز در بر می¬گیرد.