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。     

一种基于自适应碰撞距离的DSMC虚拟子网格方法

为提高DSMC方法的计算效率及其对较高密度稀薄流问题的模拟能力,针对其碰撞对抽样环节,发展了基于自适应碰撞距离的虚拟子网格方法,并通过平板、钝锥等典型算例验证了该方法的正确性。结果表明:虚拟子网格技术放宽了DSMC方法对网格尺度的要求,可以在较大的网格尺度下得到满足计算精度要求的结果。     

火星大气高温光谱建模与非平衡辐射热流预测

火星科学实验室成功着陆后的热环境重构数据表明，气动辐射加热在火星进入防热设计中具有不同于以往认识的重要影响，未知机制和模型不确定性等问题有待进一步研究。探测器高速进入火星大气产生极高温非平衡气动环境，造成火星气动辐射与常规CO₂红外辐射研究显著不同。针对火星大气高温光谱和辐射热流预测，首先，建立适用于火星大气的高温非平衡光谱辐射模型，获得典型高温条件CO₂光谱结构和辐射强度，与NASA和JAXA试验结果对比，结果显示符合较好。其次，依靠激波管和发射光谱测量技术，开展典型进入条件的辐射强度测量试验，数值结果、试验值和NASA试验结果相互符合较好，验证了光谱模型。最后，对探路者号进行气动辐射加热分析，完成典型进入条件下的非平衡流动和辐射特性计算，基于光线法得到光谱辐射强度沿驻点线的变化，表明高速与低速条件的气动辐射机制存在显著差异；基于有限体积法获得进入器表面辐射热流分布，结果显示辐射热流的分布及变化规律与地球再入显著不同，进入速度6 km/s以下时辐射热流随进入速度增加而减小，同时进入器锥身及肩部的辐射热流高于驻点区域。     

真实气体效应对等离子体鞘套及电磁参数的影响

针对高速飞行器高超声速飞行环境，建立了热化学非平衡流动数值模拟技术，并对计算方法的可靠性进行了验证，接着开展了真实气体效应对飞行器等离子体鞘套及其电磁参数的影响规律分析。结果表明:飞行器物面中心线等离子体密度峰值与飞行试验符合良好；对于碰撞频率，沿滞止流线，双温模型以及Park反应模型对等离子体碰撞频率的影响趋势是一致的；对于相对介电常数，除激波附近，流场其他区域的实部接近1，激波附近小于1，虚部沿滞止流线逐渐升高；双温模型以及Park反应模型对相对介电常数实部和虚部的影响趋势是一致的。