火星环境高超声速催化加热特性

针对火星进入器的复杂催化加热作用,基于自研CFD平台,以进入器70°球锥防热大底为研究对象,求解三维可压缩Navier-Stokes方程,获得基于火星大气的考虑多种催化作用的高超声速非平衡气动加热数值模拟结果。结果表明,气体通过激波后发生大规模离解,激波层内尤其驻点区域呈现化学非平衡状态,高温真实气体效应显著,壁面催化效应对化学非平衡气动加热影响显著,完全催化壁预测值最为保守,而完全非催化壁结果最低,不同模型差别高达数倍。分析认为,CO_2和O_2复合作用是火星进入器壁面催化加热主要作用因素,需要根据热防护材料对壁面催化机理作有效表征,进而实现气动加热的精细化预测。     

高超声速气流非结构化网格DSMC算法研究

高超声速气动热力学环境的研究是直接涉及飞行器轨道控制、热防护设计的关键问题之一。文章通过研究稀薄气体热化学非平衡态中的热力学环境,采用非结构化DSMC程序对“火星探路者号”（Mars Pathfinder）探测器的Ballute减速装置在地球大气层和火星大气层中的高超声速飞行进行了数值模拟,计算得到了流场的温度分布、探测器壁面的热流密度分布,分析表明稀薄气体热化学非平衡态对飞行器流场有影响。将仿真结果与NASA兰利研究中心的计算结果作了比较,二者吻合很好。研究结果可用于飞行器热防护设计。     

气体辐射与流场耦合对火星进入热环境影响

采用火星大气物理化学模型,求解带辐射源项的三维热化学非平衡N S方程,对探路者号火星探测器进入过程中的高温流场和热环境进行了数值模拟,分析了气体辐射与非平衡流场耦合效应对流场和热流的影响。结果表明：1)探路者号火星探测器流场热化学非平衡效应显著,CO 2 气体发生大规模离解,高度低至 28.5 km 仍存在热力学非平衡效应;2)热力学与化学非平衡效应的影响均与表面催化特性相关,完全催化热流要高于完全非催化热流50%以上;3)高温流场中的CO组分会产生较强的气体辐射加热,辐射热流与对流热流的比值为15%～45%,靠近肩部区域比值最大;4)气体辐射对非平衡流场的冷却效应使激波脱体距离减小;与非耦合方法相比,采用耦合方法得到的辐射热流降低约12%～25%。     

火星探测器表面材料催化特性数值模拟研究

针对火星探测器高超声速进入过程中的表面材料催化作用及其对气动热环境影响这一问题，建立了变壁面温度的火星大气表面材料催化作用模型，并基于火星大气物理化学模型和求解三维热化学非平衡N-S方程的数值方法，对典型火星探测器防热大底进行了数值模拟，获得了不同催化特性下的高超声速非平衡流场和气动热数据，分析了表面材料催化特性对气动热环境影响的规律性。研究结果表明：表面催化特性对壁面附近组分分布影响很大，催化反应进程主要受O原子浓度限制；有限催化热流随催化效率增大而增大，完全催化峰值热流比催化效率为1的有限催化峰值热流高25%~64%；表面温度随催化特性的变化规律与热流变化规律类似。有限催化模型能根据表面材料的催化特性精细化预测表面热流和温度，为防热设计提供更精确合理的参考标准。     

真实气体效应对MSL火星进入气动特性的影响研究

探测器超高速进入火星过程的高温真实气体效应对飞行稳定性和防热系统影响极大,需要在初步设计阶段对探测器的气动力热特性进行精确预测。文章构建了采用流场直角与表面非结构混合网格以及网格自适应的直接模拟蒙特卡洛方法,模拟稀薄环境高温真实气体效应的依赖于温度的多原子分子振动激发和8组份54化学反应模型。通过计算"火星探路者"外形气动力系数随攻角的变化,并与文献提供的计算结果对比,有较好的一致性,验证了该文算法的可靠性。文章模拟了"火星科学实验室"在火星大气环境70km高度、进入速度为5.85km/s下的高温真实气体效应对气动力、气动热和流场特征的影响。通过与完全气体计算结果对比,表明高温真实气体效应影响下的激波脱体距离减小,表面热流降低,轴向力系数增加、配平攻角减小、压心位置随攻角变化显著。     

MSL火星探测器高超声速流场预测及气动性分析

为获取火星探测器升力-弹道式进入火星大气层的气动特性,以火星科学实验室探测器（MSL）为研究对象,开展基于有效比热比方法的高超声速流动的数值模拟研究,并建立探测器进入过程的气动性能分析方法。计算分析表明,探测器绕流流场因有效比热比较小而具有很薄的激波层,物面气动力与文献值吻合良好;气动分析表明,对特定飞行状态,质心位置决定配平升阻比和俯仰静稳定度,合理的质心法向偏移和纵向移动可满足探测器的升阻特性和静稳定性,同时给定的配平特性和静稳定性要求也可指导质心位置调整,进而为探测器的气动布局设计和舱内设备布置提供建议。     

一种高超声速稀薄流激波干扰气动热测量技术

针对高超声速稀薄来流条件下的激波干扰气动热测量问题，设计了一种适用长时间、中低热流量值(5~500 kW/m2)的带封装结构的量热计，采用空气隔热设计方式降低其侧向传热，实现了有效一维传热，延长了测试时间；并通过热流传感器标定试验，实现了热流高精度测量。为验证量热计的测量性能，开展了地面标定实验和基于双锥模型的高超声速低密度风洞激波/边界层干扰实验(M10和M12)，量热计与同轴热电偶的测量结果进行对比分析。研究结果表明，本文所设计的量热计适用于稀薄来流条件下激波干扰引起的复杂气动热问题的热流测量。相比于同轴热电偶，量热计响应时间较慢，但对于较大热流，由于极大减轻了侧向传热的影响，测量精度较高。同轴热电偶对低量值热流(5~20 kW/m2)的测量性能较好，信噪比(SNR)较高。研究成果为开展高超声速低密度风洞稀薄流激波干扰气动热试验研究提供支撑。     

火星进入气体辐射加热研究进展

针对飞行器进入火星大气时气体辐射加热对防热设计带来不确定性，在简述火星探测和气体辐射研究的发展历程的基础上，对火星进入气体辐射加热研究的进展进行综述。首先，针对火星大气环境描述了气体辐射加热的概念和问题由来。其次，重点综述了近年来火星进入气体辐射加热基础模型的数值和试验研究进展，其中包括：热化学非平衡气体动力学、气体辐射特性和辐射传输的计算模型与方法等数值研究；地面测试设备、试验技术和模拟火星大气环境的气体辐射测量与验证等试验研究。再次，综述了流动辐射耦合和后体气体辐射加热等火星进入器设计方面开展的研究。最后，对未来火星进入气体辐射加热研究进行了展望，提出了研究建议。     

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     

火星稀薄大气参数对进入器气动特性的影响

针对火星稀薄大气环境的不确定性对进入器气动特性的影响问题,先以海盗号火星进入器的飞行试验数据对发展的三维并行直接模拟蒙特卡罗(DSMC)仿真软件进行了算例校验,再以火星科学实验室外形为例,计算气体组分、密度、温度及速度等来流参数的不确定性对进入器气动特性的影响偏差,定性定量给出火星高空稀薄环境下大气不确定性所带来的气动力特性规律。研究结果表明,通过与海盗号飞行实验数据的对比校验了所建立方法的正确性与可靠性;CO2大气环境对进入器气动特性的影响较大,利用空气稀薄环境中的计算及实验结果亦需进行CO2效应修正,这一点与连续流区的结论一致;来流密度及速度的不确定性对气动力、力矩特性均有影响,而来流温度影响的最大偏差小于0.5%;纵向压心对来流密度、温度及速度的扰动均不敏感。     

火星进入器气动热环境模拟及热防护试验综述

文章简述典型火星进入器所面临的气动热环境，阐明在火星大气CO₂介质下进行试验的重大需求以及建立火星热环境模拟及热防护试验方法的必要性；并对国内外进行的相关火星进入器热防护工程性和研究性试验进行综述，指出研究空气和CO₂介质下的电弧加热器运行特性将对火星热防护试验提供必要的支撑，CO₂介质下防热材料催化特性研究和先进测试技术（如TALIF、OES、HSC等）是未来发展的方向。     

Conceptual study and key technology development for Mars Aeroflyby sample collection

Conceptual study of Mars Aeroflyby Sample Collection (MASC) is conducted as a part of the next Mars exploration mission currently entertained in Japan Aerospace Exploration Agency. In the mission scenario, an atmospheric entry vehicle is flown into the Martian atmosphere, collects the Martian dust particles as well as atmospheric gases during the guided hypersonic flight, exits the Martian atmosphere, and is inserted into a parking orbit from which a return system departs for the earth to deliver the dust and gas samples. In order to accomplish a controlled flight and a successful orbit insertion, aeroassist orbit transfer technologies are introduced into the guidance and control system. System analysis is conducted to assess the feasibility and to make a conceptual design, finding that the MASC system is feasible at the minimum system mass of 600 kg approximately. The aerogel, which is one of the candidates for the dust sample collector, is assessed by arcjet heating tests to examine its behavior when exposed to high-temperature gases, as well as by particle impingement tests to evaluate its dust capturing capability.     

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。     

Self-sustaining Mars colonies utilizing the North Polar Cap and the Martian atmosphere

A revolutionary new concept for the early establishment of robust, self-sustaining Martian colonies is described. The colonies would be located on the North Polar Cap of Mars and utilize readily available water ice and the CO2 Martian atmosphere as raw materials to produce all of the propellants, fuel, air, water, plastics, food, and other supplies needed by the colony. The colonists would live in thermally insulated large, comfortable habitats under the ice surface, fully shielded from cosmic rays. The habitats and supplies would be produced by a compact, lightweight (~4 metric tons) nuclear powered robotic unit termed ALPH (Atomic Liberation of Propellant and Habitat), which would land 2 years before the colonists arrived. Using a compact, lightweight 5 MW (th) nuclear reactor/steam turbine (1 MW(e)) power source and small process units (e.g., H2O electrolyzer, H2 and O2 liquefiers, methanator, plastic polymerizer, food producer, etc.) ALPH would stockpile many hundreds of tons of supplies in melt cavities under the ice, plus insulated habitats, to be in place and ready for use when the colonists landed. With the stockpiled supplies, the colonists would construct and operate rovers and flyers to explore the surface of Mars. ALPH greatly reduces the amount of Earth supplied material needed and enables large permanent colonies on Mars. It also greatly reduces human and mission risks and vastly increases the capability not only for exploration of the surrounding Martian surface, but also the ice cap itself. The North Polar Cap is at the center of the vast ancient ocean that covered much of the Martian Northern Hemisphere. Small, nuclear heated robotic probes would travel deep (1 km or more) inside the ice cap, collecting data on its internal structure, the composition and properties of the ancient Martian atmosphere, and possible evidence of ancient life forms (microfossils, traces of DNA, etc.) that were deposited either by wind or as remnants of the ancient ocean. Details of the ALPH system, which is based on existing technology, are presented. ALPH units could be developed and demonstrated on Earth ice sheets within a few years. An Earth-Mars space transport architecture is described, in which Mars produced propellant and supplies for return journeys to Earth would be lifted with relatively low DeltaV to Mars orbit, and from there transported back to Earth orbit, enabling faster and lower cost trips from Earth to Mars. The exploration capability and quality of life in a mature Martian colony of 500 persons located on the North Polar Cap is outlined.     

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。