● 摘要
电弧加热发动机（Arcjet）属于电热式推力器的一种，具有良好的系统兼容性、技术上易于实现、性能拓展空间大、推进剂选择范围广等特点。在过去几十年中，虽然千瓦级电弧加热发动机在轨道保持方面的成功应用极大推动了相关研究的进展，但制约电弧加热发动机效率和寿命的一些关键问题尚未得到很好地解决。本文采用数值模拟的方法对氮氢电弧加热发动机内的复杂流动、传热、物理过程进行了较为系统的研究，获得了一些新的结果。
在局域热力学平衡假定的基础上推导了适用于电弧加热发动机内可压缩等离子体流动中反混合现象研究的控制方程组。采用组合扩散系数法简化了高温混合气体中多种组分之间的相互扩散。发展完善了用于电弧加热发动机热力学和化学非平衡数值模拟物理数学模型，模型中综合考虑了气体解离、电离等多种形式的化学动力学过程，采用时时根据当地气体压力、组分和温度条件计算等离子体性质的方法，保证了计算的准确与可靠性。
在相同工况下采用氢气、氮气、氮氢混合物模拟氨和肼作为推进剂，研究了氢含量对电弧加热发动机内传热流动及能量转化过程的影响；采用改变发动机喷管扩张段长度的办法研究喷管长度对发动机性能的影响；推进剂的物性参数对发动机性能有重要影响，采用人工给定粘性系数的方法，研究低功率电弧加热发动机内气体推进剂粘性对传热流动过程的影响，并考察了不同条件下Lorentz力占发动机推力的比重。
采用基于局域热力学平衡假定的反混合模型研究氩氦和氮氢电弧加热发动机内的反混合现象。获得了发动机内的组分分布，并对比了考虑反混合和忽略反混合对电弧加热发动机内速度、温度分布及发动机推力、比冲等性能参数的影响。采用对比分析的方法，考察了压力、温度和浓度梯度驱动扩散的主要作用机理和区域。
采用双温度化学非平衡模型对低功率和中等功率氮电弧加热发动机进行数值模拟。获得发动机内的电子温度、重粒子温度、速度和各种粒子数密度分布，并给出热力学非平衡参数θ=Te/Th沿发动机轴线、沿阳极壁面和发动机出口平面上变化，比较了双温度非平衡模拟获得的各组分数密度分布和双温度Saha方程计算结果，研究发动机内热力学非平衡和化学非平衡现象。并比较了低功率和中等功率电弧加热发动机内非平衡现象。