基于旁路质量注入的超音速微喷管推力矢量化的直接模拟蒙特卡洛分析

收敛-扩张微喷管旨在通过产生动能来加速流动，用于先进的微推进系统。此类超音速微喷管在微卫星的发射、推进和快速方向控制以实现更好机动方面具有重要应用。这类流动装置的微观尺度分析已扩展到稀薄流 regime。本研究通过旁路质量注入技术解决了平面收敛-扩张超音速微喷管中的推力矢量问题。采用直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法进行数值建模。主要关注喉部高度为20微米、膨胀比为1.7的微喷管推力矢量控制。对于二次注入，考虑了5种不同旁路宽度（2–12微米）的矩形通道，对应两种不同出口压力（Pout = 10 kPa 和 40 kPa），同时保持入口压力（Pin）和温度（Tin）分别固定为1 atm和300 k。通过马赫数、压力、温度和密度云图的分析来认识微喷管的物理行为。数值结果表明，二次流注入通过在扩张段形成压力凸起而融入主流。此外，总质量流率、二次流百分比、推力、推力系数和比冲均随旁路通道宽度增加而增大。获得了推力方向的变化，进而在超音速微喷管中产生显著的矢量效应。对于Pout为40 kPa，矢量角在6微米旁路通道处达到峰值，而对于Pout = 10 kPa则观察到矢量角随旁路通道宽度逐渐增加。