碱金属杂质对飞行器烧蚀流场电子数密度影响

通过数值求解含有碱金属杂质碳酚醛烧蚀效应的层流与湍流化学非平衡Navier-Stokes控制方程,理论预测了无线电衰减测量计划(RAM)-C系列钝锥体前两次再入等离子体鞘套电子数密度。计算结果包括化学非平衡纯空气流场结果以及含碱金属杂质的碳酚醛烧蚀流场结果,并和文献发表的飞行器上朗缪尔探针、反射计等离子体诊断数据,以及从信标和遥测信号衰减中获得的等离子体相关数据进行了比较,获得了与试验分析结论相一致的碱金属电离对电子数密度峰值影响随高度变化趋势。理论计算与飞行试验结果均表明:烧蚀材料中的碱金属电离会显著增加中低空飞行器等离子体鞘套的电子数密度,最高可达2~3个量级。     

化学非平衡效应对返回舱气动特性的影响分析

航天器返回舱再入过程中,高马赫数造成激波层内气体温度急剧升高,由此导致的化学非平衡效应对返回舱气动特性将产生显著影响。而飞行高度和速度的变化影响着化学非平衡过程,进而改变对飞行器气动特性的影响程度。文章通过求解三维Navier-Stokes流体动力学方程,利用耦合化学反应动力学模型对返回舱再入开展数值研究与机理分析,获得量热完全气体模型和化学非平衡气体模型的气动力预测值,分析飞行条件变化时化学非平衡效应对气动特性的影响规律。根据Apollo返回舱的AS-202飞行试验数据验证了计算模型与数值方法。对返回舱的模拟结果表明,高度不变、马赫数增大时,完全气体模型的气动特性预测值不变,化学非平衡效应影响下的轴向力系数、法向力系数和俯仰力矩系数与完全气体预测值的偏差均增大,化学非平衡效应增强;马赫数不变、高度增大时,化学非平衡效应造成的气动力预测值偏差也增大,配平攻角差值略有增加,化学非平衡效应同样增强。机理分析发现,飞行条件变化所造成的化学非平衡流场和压力分布变化是影响气动力变化的主要原因。     

高超声速升力体飞行器等离子体鞘数值模拟

为探究高超声速再入过程中通信“黑障”的影响因素,基于一种化学反应平衡气体组分模型,采用有限体积法求解三维全N-S方程,数值方法采用AUSMPW+格式和LU-SGS隐式求解方法,模拟典型球锥体的高超声速流场,得到的电子数密度分布同RAM-C II飞行试验数据吻合良好。并针对一种升力体外形飞行器进行计算,选取高度范围35~55〖KG*9〗km、马赫数12~25、攻角10°~30°共14个飞行状态,得到了不同状态下的飞行器周围的电子数密度分布情况,对比分析发现电子数密度值与飞行高度、马赫数以及攻角的大小关系密切。     

场协同原理在高超声速化学非平衡流动中的推广

应用理论分析与数值模拟方法，将对流传热的场协同原理从不可压缩流动推广至高超声速化学非平衡流动中。结果表明，高超声速化学非平衡层流与湍流的热流密度取决于流动的当地单位体积的动量与单位质量总焓梯度的协同。用当地单位体积的动量与单位质量总焓梯度的协同研究高超声速化学非平衡流动的壁面传热问题，对层流流动下的对流传热，不但计及了高超声速化学非平衡流的密度变化对热流密度的影响，而且包括了静焓梯度、压力梯度、边界层内的分子黏性剪切效应对热流密度的作用；对湍流问题，除了上述层流流动各项对热流密度的影响外，还计及了雷诺剪切应力对热流密度的作用。考虑到高超声速化学非平衡流静焓的定义，高超声速化学非平衡层流及湍流的场协同同时计及所有组分的平动能、转动能、振动能及电子能等梯度的贡献。     

类X-37B升力体再入飞行通信特性中断研究

针对再入非平衡等离子流场的数值仿真方法及等离子体鞘套对不同波段电磁波传输特性的预测开展研究。首先，利用某工程钝头体飞行器再入实测通信飞行测量数据，初步校验数值仿真等离子体特性和通信特性方法的正确性；其次，在典型弹道下针对升力体再入飞行器开展等离子体鞘套数值仿真，分别给出S波段、Ka波段与K波段电磁波衰减特性，研究指出结合当前国内中继星体制情况采用高频段电磁波Ka波段或K波段中继通信方式是解决通信黑障的技术途径之一；最后，研究了电磁波数衰减受传播方向角和攻角的影响规律。研究结果可为发展解决我国再入飞行器通信黑障的设计方案提供参考。     

化学非平衡效应对返回舱再入气动力特性的影响

高空高马赫数条件下,化学非平衡效应将对飞行器气动特性产生影响,影响飞行器气动布局优化和飞行弹道设计。文章通过三维化学非平衡流动求解程序,针对再入返回器开展数值研究与机理分析,通过对比完全气体模型和化学非平衡气体模型获得的气动力参数,揭示化学非平衡效应对流场结构和气动力特性的影响和规律。结果表明,对Apollo的气动力计算结果验证了模型和计算方法;化学非平衡效应影响下,激波层内化学反应消耗大量能量,致使激波脱体距离减小,气体压缩性增强;典型状态高度为70 km,Ma=30条件下,化学非平衡效应导致返回器升力系数增大约6%、阻力系数增大约1.3%～3.3%、升阻比增大3%左右、俯仰力矩系数增大,从而使配平攻角减小约2.5＆#176;;通过机理分析,发现化学非平衡效应影响下表面压力系数发生变化的原因是飞行器周围激波形状及驻点压力改变,表现为气体沿流线经激波层、压缩区和膨胀区的历程变化;对于钝体形状的返回器,迎风面前体压力系数增加和后体压力系数降低,造成轴向力和法向力系数增大。     

固体运载火箭级间热分离仿真气体模型研究

目前,计算流体力学和飞行力学耦合仿真是模拟运载火箭级间分离较为流行的方法,而发动机内外流动建模则是运用该方法的关键。工程上,常用的方法是将发动机燃气与外部大气当作同一种气体组分处理,未考虑内外流动的多组分与燃烧效应。分析了化学非平衡流模型、双组分气体模型和常规单组分气体模型在火箭级间热分离流场计算中的适用性。化学非平衡流模型由于过高的计算消耗,不适用于火箭研制工程中大规模的参数化研究。而热化学等级较低的双组分气体和单组分气体模型由于计算量较低,具有较好的工程适用性。双组分气体模型计入了火箭燃气的特性,计算消耗远低于化学非平衡计算,且能够较好地预测火箭级间段的流动分离,在计算效率和计算保真度之间做出了较好的平衡,未来在工程研究中有较大的应用潜力。     

多高超声速飞行器静态协同再入制导方法

为实现多高超声速飞行器的协同再入，提出一种基于参考轨迹的静态协同再入制导方法。首先以实际轨迹长度代替大圆弧假设，研究了实际轨迹长度与总飞行时间的对应关系，提出采用公共轨迹长度作为协调变量的思路；然后设计了一种双层协同框架，其中协调层将轨迹长度作为协调参数进行协调匹配，执行层依据分配的协调参数完成再入飞行；最后针对协同再入的时间一致性要求，提出一种新的协同逻辑转换策略，将终端时间的一致性问题转化为到达截止时间的状态收敛问题。该方法在能量域内进行公共参考轨迹设计，之后通过时域信息提取在时域内完成公共参考轨迹跟踪，最终实现多成员的协同再入。分别在标称状态与模拟扰动环境对所提方法进行了数值仿真，结果表明，所提方法能够简明实现多飞行器的再入协同制导，具有较好的应用潜力。     

有烧蚀气体产物影响的化学非平衡粘性流数值计算研究

本文是针对高超声速绕流钝锥体再入飞行器，研究有烧蚀气体产物影响的化学非平衡反应粘性流ＮＳ方程数值计算方法。通过带有化学源项的ＮＳ方程对流动作数值模拟，总的连续方程由单个组元守恒方程组代替。对１３个化学组元，２６个气相化学反应，以及２个气相－固相化学反应，研究烧烛碳－空气的化学反应系统，并与纯空气化学反应系统的计算结果进行比较。利用二阶迎风ＴＶＤ差分格式和激波捕捉法，计算球锥体头部和身部化学非平衡粘性流场     

圆柱形霍尔推力器内等离子体数值模拟

利用一维磁流体动力学模型,对圆柱形霍尔推力器的放电等离子体进行了数值模拟。考虑了等离子体的电离、中和、碰撞、玻姆扩散及阳极鞘层的影响,由龙格-库塔方法得到离子速度、离子数密度、电子的温度等分布,其与实验结果有很好的一致性。经分析可知,此分布与电磁场的分布、粒子碰撞及电子阻抗等因素有关,并分析了电子温度分布、电子速度与电磁场的关系。结果表明,离子数密度沿通道方向增加,但在出口附近略有下降;而中性粒子数密度逐渐降低;离子速度在出口达到最大值,电子速度在下游有较大的梯度分布。     

发动机喷流对飞行器底部流动影响数值模拟

针对发动机燃气喷流对底部流动的影响开展研究。建立冷喷与热喷计算方法，与经典的高压空气尾喷管喷流试验数据进行了对比，验证了本文建立的三维喷流方法的可靠性。对本文选用的飞行器外形采用冷喷与热喷方法开展了对比计算并与飞行试验值进行比较，分析了两种方法结果的差异。采用热喷方法对来流马赫数 2.5 ，不同飞行高度及喷管进口总压开展计算，研究飞行高度及喷管进口总压对发动机喷流及底部流场的影响。结果表明，保持飞行高度、来流马赫数不变，喷管进口总压增加，底部压力系数逐渐提高。燃气质量浓度最大值位于底部空腔的壁面处，且保持一个恒定值。保持喷管进口总压、来流马赫数不变，飞行高度增加，喷流高速区向后移动且中心区最大马赫数增加。在一定飞行高度下，底部压力系数由负转正，即飞行器底部会出现正推力，这对飞行器的射程会产生重要影响，需要提前评估。     

基于碱金属辅助电离的等离子鞘套模拟方法

为解决再入过程中通信黑障与探测异常问题，对等离子体鞘套地面模拟方法进行了研究。以RAM C-II 飞行试验为依据，计算了等离子体鞘套的参数范围。分析现有模拟设备，概括提出了高焓低速风洞的模拟方案，选取相适应的放电方式，并对流量功率进行了计算。针对高温环境对电磁设备造成损坏以及所需功率难以实现的问题，提出添加碱金属的解决方案，并进行了试验验证。试验结果表明，添加碱金属可以使电子密度提升约一个数量级。对方案效果进行评估，预期功率需求降至兆瓦量级。     

Luminescence of the disturbed upper atmosphere in the visible and infrared spectral ranges in the conditions of injection of a high-velocity plasma jet: II. Theoretical interpretation of the luminescence in the visible spectral range

A theoretical interpretation is given to the experimental data on the luminescence in the visible spectral region of the disturbed upper atmosphere in the conditions of injection of a high-velocity aluminum plasma jet (the “Fluxus” experiment). Mathematical models of optical effects are presented. It is demonstrated that the results of the calculations and the experimental data agree satisfactorily. The principal physical and chemical processes responsible for the observed luminescence are determined.     

高超声速三维热化学非平衡流场的数值计算对比研究

选取国内外典型的高超声速绕流实验,对比研究了不同化学反应模型(Dunn-Kang模型、Park85模型、Park93模型、Park2001模型、Gupta模型)对高超流动计算结果的影响。重点采用Park双温度模型开展热化学非平衡效应的模拟研究,并同时与5组元单温度模型的计算结果进行了对比。研究表明:Park85-7组元双温度模型与实验结果吻合最好,结果最为可靠;而Park85-5组元单温度模型更适用于工程计算。     

以RBCC为动力的巡航飞行器有效载荷质量敏感性分析

基于飞行轨迹及质量分析数学模型,对以RBCC为动力的巡航飞行器有效载荷的敏感性进行了分析,主要考虑了发动机比冲、发射马赫数、发射高度、模态转换点(转换马赫数)及惰性质量系数等对有效载荷质量的影响。分析结果表明,提高发射马赫数和发射高度、增加发动机比冲、降低模态转换马赫数及飞行器惰性质量系数有利于提高巡航飞行器的有效载荷质量。其中有效载荷质量对惰性质量系数最敏感,当惰性质量系数分别减小7.3%和增大7.3%时,有效载荷质量的增大量和减小量将分别达到58%和103.7%。     

飞行环境对火箭喷焰微波衰减特性的影响

本文采用一种近场和远场分区耦合、时间相关法和空间推进法相结合的方法计算分析了飞行环境对火箭喷焰微波衰减特性的影响。计算结果表明高空飞行时的喷焰温度低于地面环境下的喷焰温度。但是,由于市容工环境压力的降低使得喷焰的复合效应减弱导致自由电子数密度沿喷焰轴向衰减减慢,使得高空飞行时喷焰对微波的有效作用范围增大。由此可以推断实际飞行时喷焰的微波衰减比在地面环境时更为严重。     

太阳能飞行器能源昼夜闭环仿真分析

以能量为核心，建立太阳能飞行器的获能模型；通过对太阳能飞行器飞行剖面特点的分析，设计飞行过程中各个阶段的飞行方案，并建立相应的耗能模型；考虑目前储能电池技术水平，根据产能和耗能模型，建立储能模型，完成了能源闭环模型的设计；参照Zephyr 7太阳能无人机的结构参数对论文建立的模型进行了仿真分析，获取了飞行过程中能量变化规律，同时对飞行姿态进行优化。结果表明：通过对太阳能飞行器昼夜飞行高度的不同设置以及飞行姿态角的优化，太阳能飞行器可以实现跨昼夜持久飞行。     

面向飞行器自主导航的铱星/星链星座覆盖性及可见性分析

针对低轨星座机会信号导航中单星座构型和可见星数无法同时满足高精度、高可用性的难题,基于铱星、星链轨道参数,建立了单星座和混合星座模型,探究了各个星座覆盖重数、覆盖率及飞行器对上述星座的可见性。研究结果表明：飞行器可见星数随飞行高度增加而减少,随飞行器最小观测仰角增大而减少,星链和铱星的融合可显著增加纬度60°以上区域可见星数。铱星对全球不同纬度、不同时间具有100%全覆盖;星链目前覆盖区域向两极拓展,对全球覆盖重数最大为56,最小为0,未实现全球不同纬度、全时段100%的覆盖率,但中国区域星链覆盖率均优于美国区域。星链和铱星的混合星座使全球覆盖重数优于10,不同纬度、不同时间覆盖率达到100%,显著优于单星座。