飞行器进入火星大气的流场预测

针对火星着陆探测器进入-下降-着陆过程的高超声速进入阶段, 利用三维并 行程序求解流体动力学Navier-Stokes方程与化学反应动力学模型, 分析火星 科学实验室进入火星大气时探测器周围的流场结构、化学非平衡效应影响和气 动特性变化规律. 结果表明, 对于完全气体模型, 来流的热力学性质参数选 取影响激波位置和强度. 在化学非平衡效应影响下, 探测器头部激波脱体距离 大幅减小, 驻点压力变化不大, 波后温度显著降低. CO₂在激波后大量分解, 消耗相当能量. 流线结构显示, 探测器尾迹流动中存在复杂的旋涡运动等流动 分离现象.      

火星进入的气动力特性预测模型分析

火星大气环境对飞行器进入带来了新的挑战,气动力预测是首先需要解决的问题.针对火星探测器的高超声速进入问题,利用三维并行程序求解流体力学Navier-Stokes方程,分别考虑真实气体模型和完全气体模型,分析模型及参数对气动力特性预测的影响,旨在得到准确、高效和可靠的火星进入器气动力特性预测模型.采用真实气体模型对海盗号进行了沿飞行轨道的数值模拟,气动力特性预测结果与飞行数据一致,验证了火星大气热化学模型及数值方法.分别采用真实气体模型和完全气体模型对海盗号升力式进入和探路者号零攻角进入进行了气动力特性预测,结果表明采用等效比热比的完全气体模型的预测值非常接近真实气体模型,偏差均在1%左右,配平攻角相差约0.4°,来流比热比模型的气动力特性预测值偏差很大.火星进入器的气动力预测建议采用真实气体模型和等效比热比完全气体模型.      

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。     

低轨卫星的气动特性预测与分析

针对低轨卫星高空自由分子流区的飞行环境特征,采用GOCE卫星典型弹道下的气动数据对DSMC仿真方法进行了算例验证,并就CLL模型下不同物面反射系数对GOCE卫星流场特征及气动特性的预测差异进行了对比分析,给出不同物面反射系数对卫星阻力预测的定量差异.结果表明,本文方法所得气动阻力与文献结果吻合较好,能够在此飞行区域给出合理的气动阻力;当反射系数从0.1逐渐变化至1.0时,卫星流场的驻点区域、尾部方向舵区域压力分布逐渐从带状结构向扇形结构过渡;在所研究的工况下,随着物面反射系数的增加,摩阻系数预测结果偏大,压阻系数预测结果偏小,总阻力先增加后减小,约在反射系数0.8附近达到最大.      

火星大气模型参数对MSL气动特性的影响

火星大气与地球大气截然不同,飞行器在进入火星时气动特性不同于地球再入. 大气模型的差异主要表现为气体组份、密度和温度等物理参数. 针对火星进入器MSL在进入-下降-着陆过程中的高超声速进入段,利用三维并行程序求解耦合真实气体模型的流体动力学Navier-Stokes方程,分析MSL进入火星大气时大气模型参数对进入器气动特性的影响. 结果表明,通过与海盗号飞行数据的对比,验证了所采用的火星气体模型和计算方法,且其与NASA的 LAURA代码气动特性计算结果也较为一致;大气模型气体性质,即CO₂环境对进入器阻力系数和俯仰力矩系数影响较大,利用空气得到的计算和实验数据必须考虑CO₂效应;密度增大促进了化学非平衡效应,但对进入器气动特性基本没有影响;温度升高大大增强了化学非平衡效应,而对进入器气动特性影响较小.      

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。     

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。     

高超声速再入飞船气体热辐射计算边界虚网格方法

针对再入飞行器激波层辐射加热,应用有限体积法计算辐射传输方程,引入了一种边界处理方式——虚网格方法,根据化学非平衡流场数据,计算出飞行器表面辐射加热热流。通过分析发现:采用虚网格方法处理辐射传输边界,能够确保真正的边界条件得到应用,满足真实的物理意义,且辐射传输计算的空间网格、立体角网格、初始温度值的收敛性很好,计算结果精度误差小于2.5%。利用虚网格方法计算飞船再入返回时的辐射加热,结果表明计算所得壁面辐射热流与其他研究者辐射热流计算结果符合良好。      

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。