圆盘表面出气环境散射返回流TPMC模拟

针对航天器工作中的返回流污染问题,利用试验粒子Monte Carlo(Test Particle Monte Carlo,TPMC)方法对圆盘表面出气分子形成的环境散射返回流进行数值模拟,验证了计算结果与相关研究的一致性。结果表明:返回通量比随圆盘表面半径、来流气体速度、来流气体分子数密度的增加呈线性增大;随出气分子质量、来流气体攻角的增加而先增大后减小;随出气表面温度的增加而减小并渐趋于稳定;随来流气体分子质量的增加而增大并渐趋于稳定;随来流气体温度的增加而增大。同时,采用分子动理学的观点,分析了这些因素影响返回通量比的物理机制。     

“返回舱再入跨流域空气动力学”专栏简介

正可回收类航天器如飞船返回舱、探月返回器等,从空间轨道返回过程先后经历自由分子流、稀薄过渡流和连续流,是一个跨流域多尺度非平衡变化过程。如何准确模拟可回收类航天器以极高速度再入跨流域复杂多物理场非平衡绕流问题,特别是可靠预测近连续滑移过渡流区高超声速气动力/热特性,一直是世界航天再入空气动力学研究前沿与瓶颈,对航天器精细化气动设计与成功回收着陆具有重要作用。为此,国家重点基础     

理论解用于复杂构型飞行器气动阻力方法研究

针对现有的理论解方法尚不适用于复杂构型飞行器气动力求解的问题,从稀薄气体分子的动力学模型出发,制作等效平面以分析各部分来流的宏观特性,并将入射流和反射流作用分开进行考虑,从而计算出几种典型情况下的气动阻力值。后续验证表明,在分子-壁面间多次碰撞不显著时,此方法能够获得较准确的气动力结果。所提出的气动力计算方法对低轨道飞行器的气动力计算及气动构型优化等工作均具有一定的参考价值。     

空间碎片再入烧蚀预测与地面安全评估软件系统

再人航天器解体产生的空间碎片在高速气体加热作用下发生烧蚀,残存碎片对地面造成很大威胁.开发空间碎片再入烧蚀预测与地面安全评估软件系统(DRAPS),建立碎片三自由度(3DOF)弹道模型,在连续流,自由分子流和过渡区流分别采用牛顿流模型、无碰撞分子动理论和桥函数方法进行碎片气动力/气动热预测,利用零维或一维热传导模型模拟...     

基于高效数值方法的高速飞行器气动力热特性快速预测研究

结合空间推进数值模拟方法和流线追踪法发展了气动力、热快速预测技术。针对高速飞行器的算例研究表明,相对常规时间推进方法,基于空间推进法的气动快速预测方法计算效率提高了一个量级,而两者气动力计算精度相当,相对实验热流预测误差在20%以内。所发展的技术为适应气动外形快速选型和优化设计需求提供了有效的方法。     

基于等效迎角的气动融合轨道直接积分计算无控航天器轨道衰降研究

针对低地球轨道航天器服役期满离轨陨落、特别是功能失效处于无控飞行的航天器轨道衰降难以模拟的问题,在航天器轨道动力学方程直接积分计算框架中,把稀薄气体动力学与轨道动力学结合起来,发展了基于跨流域空气动力精细数值模拟驱动的低轨航天器气动特性一体化快速算法,提出了无控航天器轨道衰降失稳自旋飞行姿态等效迎角模拟法,初步建立了基于等效迎角的气动融合轨道直接积分高精度计算模型。对大型航天器A受控陨落开展计算分析,验证了本文发展提出的轨道计算、气动力一体化计算方法正确性与高精度。在大型航天器B无控失稳自旋飞行轨道衰降计算分析中,得到了与外测轨道星历数据吻合一致的长弧段和短弧段预报结果,在停止外测轨道数据供给5 h内,地心惯性系位置预报偏差低于1.5 km,验证了基于等效迎角的气动融合轨道直接积分计算模型对无控航天器轨道衰降预报的合理性。     

大型航天器无控飞行再入时间短期预报的轨道摄动方法研究

针对寿命末期大型航天器临近再入前轨道衰降受到跨流域多尺度非平衡环境下气动力/力矩影响显著的问题,基于体坐标系下的气动力和力矩分量,建立了航天器轨道-姿态动力学摄动模型;结合航天器再入跨流域空气动力学统一计算理论与数值模拟手段,提出了大型航天器无控飞行轨道衰降过程气动特性一体化快速算法。基于地心惯性坐标系气动融合轨道动力学方程数值积分方法对航天器的轨道姿态摄动模型进行了外推计算,结合无迹卡尔曼滤波方法对外测轨道星历观测数据初值误差和模型误差进行了滤波。针对250～120 km高度范围的大型航天器短期轨道衰降变化进行仿真预测,对比了外测轨道星历数据,结果表明:本文提出的经卡尔曼滤波误差分析的轨道摄动模型方法对寿命末期大型航天器短期轨道预报具有较强的模拟能力与有效性,有助于推动近地轨道空间目标气动融合轨道数值预报领域发展。     

返回舱再入跨流域气动及配平特性数值研究

基于直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法,发展流场直角与表面三角形非结构混合网格生成方法和网格自适应技术,构造适于高稀薄流到近连续滑移流多流区共存的变时间步长模拟策略及DSMC区域分解并行计算方案。采用经改进的DSMC方法模拟飞船返回舱再入过程130～70km跨越外层空间自由分子流到稀薄过渡近连续流区热化学非平衡流动,研究分析了跨流域激波过渡带和边界层的强扰动演变规律以及稀薄气体效应、高温真实气体效应对返回舱气动特性和配平特性的影响规律。对比分析了不同壁面反射模型对返回舱配平特性的影响特点,计算的探月试验返回器配平迎角与飞行试验数据一致。计算分析了质心位置偏移对配平迎角的影响机制。计算结果表明:稀薄气体效应和壁面反射模型对90km以上高度的气动力和配平特性影响显著,真实气体效应则对90km以下高度的气动特性影响较大,质心横向偏移对配平迎角影响较大。     

直接统计模拟位置元方法中的分子表面反射确定论判据

在直接模拟Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ（ＤＳＭＣ）方法的位置元方法中准确判断分子是否与某一表面元相撞,直接关系着气动力热的计算精度,是方法需要解决的关键问题。本文发展的分子表面反射判据,使这个问题得到了有效的解决。此外,还讨论了分子空间位置坐标的记录方法、分子碰撞对的极限距离、网格自适应等实际模拟技术。与圆球自由分子流准确解和过渡领域贴体网格ＤＳＭＣ模拟结果的比较,证明了上述判据和技术的有效性。     

火星探测器气动热环境和气动力特性的数值模拟研究

针对探测器进入火星大气过程中的高温气体非平衡效应及其气动热环境和气动力特性的精确预测问题,考虑火星大气高温混合气体的化学反应、束缚电子能激发效应、分子振动能激发效应和非平衡效应,以及不同表面催化特性和表面温度条件的影响,建立了数值模拟热化学非平衡流场的计算方法,并通过与平头圆柱试验模型和MESUR火星探测器的试验与计算数据对比分析,验证了计算方法的可行性与有效性,然后对典型火星探测器的气动热环境和气动力特性进行了数值模拟分析。研究结果表明:1)对于本文的计算状态情况,火星探测器流场中化学非平衡效应非常严重,存在一定的热力学非平衡效应;2)热力学模型、化学反应模型和表面催化特性对气动热计算有着重要影响;3)气体模型对气动力特性的预测影响较大,表面温度条件和表面催化特性对气动力系数的计算影响较小。     

Space Debris Reentry Analysis Methods and Tools

The reentry of uncontrolled spacecraft may be broken into many pieces of debris at an altitude in the range of 75-85 km. The surviving fragments could pose great hazard and risk to ground and people. In recent years, methods and tools for predicting and analyzing debris reentry and ground risk assessment have been studied and developed in National Aeronautics and Space Ad-ministration (NASA), European Space Agency (ESA) and other organizations, including the group of the present authors. This paper reviews the current progress on this topic of debris reentry briefly. We outline the Monte Carlo method for uncertainty analysis, breakup prediction, and parameters affecting survivability of debris. The existing analysis tools can be classified into two categories, i.e. the object-oriented and the spacecraft-oriented methods, the latter being more accurate than the first one. The past object-oriented tools include objects of only simple shapes. For more realistic simulation, here we present an object-oriented tool debris reentry and ablation prediction system (DRAPS) developed by the present authors, which introduces new object shapes to 15 types, as well as 51 predefined motions and relevant aerodynamic and aerothermal models. The aerodynamic and aerothermal models in DRAPS are validated using direct simulation Monte Carlo (DSMC) method.     

一种基于结构化贴体网格的DSMC方法研究

基于DSMC方法,发展了一种结构化的贴体网格的分子运动轨迹跟踪和定位的方法———网格面法向量判断法。在此基础上建立了一套DSMC数值模拟程序,对球双锥和Apollo飞船在过渡区域流动进行了数值模拟,并分析了其过渡区域超音速、高超音速的气动力、气动热等问题。通过将本文的计算结果与参考文献的计算结果和实验结果进行了比较,验证了所发展的方法的可靠性。     

天/地基多平台空间目标光电观测时效性分析

针对如何部署光学探测设备才能更好实现对空间目标的高精度高频度监视问题,考虑光照条件、相对关系及探测性能,构建了天/地基空间目标探测与成像仿真模型;按照轨道特征选取了94颗LEO（Low Earth Orbit,低地球轨道）卫星、63颗GEO（Geosynchronous Earth Orbit,地球同步轨道）卫星和18颗大椭圆轨道卫星,选用春夏秋冬典型季节的特定时间长度,仿真分析了国内地基、南北极科考站、LEO卫星、准GEO卫星等多平台光电手段的位置探测和成像观测能力;比对分析地基平台纬度和季节、天基平台轨道高度和倾角对探测能力的影响得出：南北极科考站相比于国内站点可提高重点季节的探测时效性,98°倾角LEO平台对低轨目标成像时效性方面更具优势,等.在此基础上,提出了我国空间目标光电观测设备天地一体的布局构想.     

稀薄大气下机械展开式再入飞行器气动特性研究

以机械展开式再入飞行器为研究对象,采用DSMC(直接蒙特卡洛模拟)方法计算分析了其在稀薄大气环境下的气动特性.讨论了飞行器在不同高度下的流场特性和升阻及配平特性,结果表明飞行器流场及受力特性对大气稀薄程度显示出较强的敏感性;进一步分析了连续流过渡至稀薄大气下飞行器的阻力系数,得出了随着来流Knudsen数增加,大气稀薄效应逐渐显现,传统的CFD方法已不再适用于描述流动特征的结论,同时给出了依据来流Knudsen数大小采取CFD和DSMC方法分别进行计算分析的建议.     

高超声速化学非平衡流动Navier-Stokes/DSMC耦合算法

基于相同的化学反应模型,在已有计算流体力学（CFD）和直接仿真蒙特卡罗（DSMC）方法及程序的基础上,采用Modular Particle-Continuum（MPC）耦合技术,建立了包含化学非平衡Navier-Stokes/DSMC耦合算法。算法结构中DSMC计算区域在CFD计算结果上根据当地克努森数自动选取。发展了适用于流场分区信息交换的亚松弛技术,抑制DSMC方法对CFD计算的影响。把DSMC方法和CFD的应用范围拓展到过渡流区,为复杂飞行器近连续过渡流区高超声速化学非平衡流动数值模拟研究提供了一种工程适用的预测分析手段。通过对二维圆柱高超声速化学非平衡绕流的算例与其他结果的比较研究,表明耦合算法不论在流场结构、流场非平衡现象,还是飞行器表面参数、整体气动力/热特性方面,都能够得到与全DSMC计算吻合的结果,证实了所建立的Navier-Stokes/DSMC耦合计算模型与方法的有效性和可靠性。仿真了某航天器解体碎片在过渡区的化学非平衡流动,得到碎片在过渡区的气动力/热特性,为碎片的陨落计算提供依据。     

双星定位系统及其备份星在近地卫星联合定轨建模中的应用

建立了基于双星定位系统距离和观测数据的近地卫星联合定轨模型,设计了相应的数值融合联合定轨算法;为进一步提高近地卫星定轨精度,考虑融合双星及备份星距离和观测数据,建立了基于双星和备份星的近地卫星联合定轨模型及实现算法,并针对不同仿真条件进行了联合定轨仿真实验。仿真计算结果表明,联合定轨方式较传统近地卫星精密定轨方式可以更好地抑制双星星历误差对近地卫星定轨精度的影响,近地卫星和双星的定轨精度均得到了一定程度的提高;同时,融合备份星观测数据的近地卫星联合定轨精度得到进一步改善,达到5.17m。     

超声速平头圆柱绕流DSMC/EPSM混合算法研究

本文将EPSM算法与DSMC方法结合，构造了可模拟含近连续流区及过渡流区的DSMC／EPSM混合算法。运用混合算法模拟马赫数等于5．37时超声速平头圆柱绕流，并与DSMC结果进行比较，证明了DSMC／EPSM混合算法的有效性，并对两种算法的计算效率进行了比较。     

面向导航增强的低轨卫星钟差确定及预报方法研究

低轨导航增强是未来导航发展的重要趋势,而高精度低轨卫星钟差是实现低轨导航增强的必要条件。基于Sentinel-6A卫星,对低轨卫星钟差特性进行了分析,给出了钟差确定方法及影响因素,介绍了顾及钟差特性的低轨卫星钟差预报方法。实验表明,低轨卫星钟差含有多个周期项,给低轨卫星建模和预报带来了困难。与使用运动学定轨模型相比,基于简化动力学的定轨模型可显著提升低轨卫星钟差精度;当基于运动学模型确定低轨卫星钟差时,相较于使用GPS单系统数据,多GNSS观测数据可提升低轨卫星钟差精度。研究表明,基于GPS和Galileo观测的Sentinel-6A卫星钟差精度相较于GPS单系统钟差精度改善了36%,同时,所使用的GNSS产品精度与低轨卫星钟差精度密切相关。利用顾及卫星钟差特性的低轨卫星钟差预报方法,当预报时长小于1 min,低轨卫星钟差预报精度（预报与解算值之差的RMSE）在0.1 ns之内,当预报时长小于5 min,预报精度在0.3 ns之内,随着预报时长的增长,预报精度显著下降。     

稀薄流过渡区气固两相喷流的建模与数值模拟

从描述粒子运动的细观层次出发,运用DSMC方法,构造了稀薄流过渡区气固相互作用模型和颗粒碰撞模型,数值模拟了有气固两相横向喷流干扰的二维有限平板高超声速流场,分析了流场结构和物面气动系数分布等特性.结果表明,对于不同的来流Knudsen数和颗粒质量载荷等参数,喷流干扰流场存在差异,同时反映了基于DSMC方法的气固相互作用模型是研究稀薄及过渡条件下的气固两相流动的有效方法.     

电动力缆绳离轨系统中绳索建模研究

 空间碎片对在轨运行航天器的安全构成重大威胁,使废弃卫星脱离原轨道进入大气层烧毁是减少空间碎片的有效途径。利用导电缆绳与地磁场相互作用产生的洛仑兹力使卫星特别是低地球轨道卫星的轨道高度快速衰减是一种很有应用前景的离轨方式。在研究电动力缆绳离轨的刚性杆模型基础上,建立了更符合电动力缆绳特性的柔索模型,并对刚性杆模型和柔索模型进行仿真。结果表明柔索模型能更精确地体现电动力缆绳的性质。