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,CO₂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%。     

攻角对火星降落伞拉直过程的影响分析

为了研究火星探测器减速着陆系统降落伞开伞前进入舱攻角的大小对伞拉直过程的影响,设计相应的控制措施,文章以"海盗号"火星探测器为研究对象,建立了基于质量阻尼弹簧模型的降落伞拉直过程动力学模型,研究了进入舱不同攻角下降落伞的拉直过程,重点研究了攻角与"绳帆"现象之间的关系。结果表明,火星环境下开伞前进入舱攻角越大,拉直过程中的"绳帆"现象越严重。因此,减小开伞前进入舱的攻角,将有利于避免或降低"绳帆"现象的发生。这一研究结论可为火星探测减速着陆系统的设计提供一定参考。     

开伞攻角对火星探测器舱伞系统运动特性的影响分析

火星探测器降落伞开伞前进入舱攻角(开伞攻角)会对舱伞系统的运动特性产生怎样的影响,是火星探测器减速着陆系统设计时必须搞清楚的问题。针对这一问题,文章以"火星探路者"为研究对象,将降落伞和进入舱分别视为6自由度刚体,建立了降落伞-进入舱以及中间弹性约束的两体12自由度动力学模型,研究了开伞攻角对火星探测器舱伞系统运动特性的影响。研究结果表明,开伞攻角越大,进入舱下降得越慢,开伞攻角对进入舱速度的影响主要体现在开伞后的前30s内;开伞攻角每增大10°,系统约产生600m的高度损失,开伞攻角的大小会对舱伞系统下降过程中的工作时序产生一定影响;开伞攻角越大,舱伞系统姿态越不稳定,姿态变化越剧烈。研究结论可为中国火星探测器降落伞减速系统的设计提供一定参考。     

真实气体效应对高超声速轨道器气动特性的影响

基于一个7组元6反应动力学模型，采用NND差分格式求解化学反应Navier-Stokes方程，数值研究高超声速轨道器的绕流特性。重点讨论了轨道器气动特性在真实气体效应作用下对不同来流状态和不同舵偏角的敏感性。研究表明：真实气体效应主要发生在物面附近很薄的激波层内，缩短了激波的脱体距离，使激波层变薄，流动变量的梯度变大；空气的离解和电离导致轨道器的阻力系数比完全气体计算值低，压心位置前移。小攻角下，升力系数和俯仰力矩系数的真实气体计算值高于完全气体计算值，大攻角情形则相反。此外，小攻角时真实气体效应产生小低头力矩，而大攻角时产生小抬头力矩。单就舵面而言，真实气体效应使其阻力系数增大，使其升力系数和俯仰力矩系数在小攻角且非负舵偏角时变小，在大攻角且负舵偏角时变大。特别地，真实气体效应仅在零攻角且零舵偏角时对舵面的压心位置产生较大影响。     

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。     

钟形返回舱空气动力特性数值模拟

文章基于Euler方程及N_S方程的数值求解方法 ,对返回舱亚、跨声速和高超声速的流场及气动特性进行了数值模拟 ,其中Euler方程数值求解采用二阶Godunov有限体积法 ;N_S方程数值求解采用二阶Harten_Yee格式的差分法。得到同实验值一致的物面压力、气动力系数和在不同速度范围出现的激波、流动分离及旋涡等流场特征。通过完全气体、平衡气体和非平衡气体的流场数值模拟结果分析比较 ,得出真实气体效应对返回舱气动力特性影响较小这一结论。计算结果表明数值模拟方法是预测返回舱气动特性的有效手段     

大型航天器再入陨落时太阳翼气动力/热模拟分析

采用直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法对大型航天器离轨再入陨落过程中,其太阳翼帆板在稀薄过渡流域的气动力、气动热特性进行数值模拟,计算中采用流场直角与表面三角形非结构混合网格以及网格自适应技术处理这类复杂外形的流动模拟,考虑内能激发和化学反应来准确模拟气动加热,并基于MPI环境的并行算法解决计算量庞大的难题。通过计算分析太阳翼水平和垂直放置时在不同高度、不同攻角下的复杂流动特征,表明在90km以上高空,太阳翼垂直放置时,飞行器头部脱体激波与帆板脱体激波会产生更强烈、更复杂的激波/激波和激波/边界层的干扰,在气动力和气动热的双重作用下要比水平放置时的太阳翼更快地被撕裂并脱离目标航天器。     

钟形返回舱空气动力特性数值模拟

文章基于Euler方程及N－S方程的数值求解方法，对回舱亚、跨声速和高超声速的流场及气动特性进行了数值模拟，其中Euler方程数值求解采用二阶Godunov有限体积法；N－S方程数值求解采用二阶Harten-Yee格式的差分法，得到同实验值一致的物面压力、气动力系数和在不同速度范围出现的激波、流动分离及旋涡等流场特征。通过完全气体、平衡气体和非平衡气体的流场数值模拟结果分析比较，得出真实气体效应对返回舱气动力特性影响较小这一结论。计算结果表明数值模拟方法是预测返回舱气动特性的有效手段。     

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。     

侧向喷流干扰流场建立与消退过程数值模拟

针对高超声速轨控侧向喷流的非定常干扰效应问题,应用非定常数值模拟方法和多重网格加速收敛技术,研究了锥-柱-裙外形轨控侧向喷流干扰流场的建立和消退过程,获得了详细的喷流瞬时干扰流场结构特性,分析了法向力放大系数、干扰力矩系数、法向力系数及俯仰力矩系数随时间的变化特性。研究结果表明：在侧向喷流干扰流场建立和消退过程中气动力变化较大,存在峰谷值;法向力放大系数及干扰力矩系数的定常值和非定常时均值之间存在明显差异。     

过渡区DSMC数值模拟的一种自适应当地时间步长新方法

采用优化的DSMC方法,研究了高超声速三维复杂外形飞行器在过渡领域飞行的气动力、热特性。对建立在流场网格和物面网格耦合基础上的三维复杂流场DSMC通用程序进行了变时间步长的优化设计,发展了一种自适应当地时间步长新方法,根据网格内仿真分子的碰撞数,自动调整网格中进行仿真分子运动和碰撞计算的时间步长,有效地提高了程序的计算效率。对比计算了三维复杂飞行器流场压力、热流分布量,飞行器表面气动力、热分布参数,证明了自适应当地时间步长新方法大幅度缩短了流场稳定所需的CPU时间,并且不降低流场模拟结果的精度。     

卷弧翼火箭气动参数数值模拟

由卷弧翼火箭圆锥运动稳定性分析需要,对卷弧翼火箭稳态流场作数值模拟,并将计算结果与试验结果进行对比,验证了数值模拟的精度,且计算中得到试验中不易获得的侧向力矩系数。根据翼面压力分布,分析了卷弧翼火箭自诱导滚转力矩和侧向力矩产生的原因。利用强迫滚转法和气动辨识技术计算了火箭的滚转阻尼力矩系数,计算结果和试验结果差别不大。经数值模拟圆锥运动时卷弧翼火箭的非稳态流场认为,圆锥运动对阻力的影响主要是由攻角产生的静态效应。     

进入火星大气的高温真实气体效应与气动加热研究

针对火星和地球大气分子热力学和化学行为的差异性,采用理论分析和数值模拟两种手段,研究探测器进入过程高超声速流动的分子振动激发、离解反应及热力学和化学非平衡等真实气体效应,获得不同气体模型条件下的高超声速气动加热规律,探究引起地火差异的根本原因。分析认为,探测器进入火星大气层的稀薄气体效应明显;激波层内发生CO 2气体为主的大规模离解,在极高温环境下O 2和CO也将离解;沿进入轨道的高超声速流动基本处于化学非平衡但热力学平衡状态;激波层内能量储存和分配模式因分子振动激发和化学反应而改变,分子振动激发会增强气动加热量,但均介于化学反应模型的完全非催化和完全催化壁结果之间;相同来流条件下CO 2介质高超声速气动加热强于空气介质,但真实的火星进入热载荷因大气稀薄而弱于地球再入环境。相关研究为我国未来火星探测器热防护系统设计提供技术支持。     

鸭式布局旋转导弹气动特性研究

对鸭式布局旋转导弹气动特性研究进行了综述。介绍了旋转气动特性、鸭式布局气动特性,以及鸭式布局旋转气动特性的研究成果。鸭式布局旋转导弹的流场中包含丰富的涡系结构,其气动特性存在典型的非线性、非定常特点。数值计算和风洞试验表明,纵向气动特性随转速变化不大,用准定常理论可解决旋转弹纵向气动力计算问题;导弹的马格努斯效应随攻角变化呈现非线性变化趋势。定常和非定常数值计算研究表明,鸭式布局前升力面产生的非定常自由涡是影响导弹气动性能的关键。     

基于预处理方法的冲压式翼伞非定常气动特性数值研究

开展绕冲压式翼伞内外一体化流场的二维、不可压、非定常数值模拟。采用预处理的双时间步长方法 ,研究了冲压式翼伞在有攻角飞行时阻力、升力的瞬态特性和非定常旋涡脱落对翼伞气动力的影响问题。气动力特性的计算值与实验结果吻合较好 ,并观察到升力和阻力在大攻角飞行中的周期性变化规律。同时流场的瞬态特性证实上翼面旋涡的发展与运动是导致翼伞气动力脉动的主要原因。计算发现在前缘切口的冲压作用下 ,翼伞内部的压力较高 ,气流几乎保持滞止 ,这是维持翼伞充气外形的主要原因。     

高超声速导弹多场耦合仿真

为准确预测高超声速导弹气动力与气动热环境,采用分区求解方法,实现气动力/热/结构多场耦合计算,并通过与试验值对比确立了耦合仿真方法的有效性。建立大长细比高超声速导弹仿真计算模型,对导弹弹体结构变形、温度场和压力场进行了数值模拟。仿真结果表明：弹体结构随着攻角增加发生轴向拉伸和横向弯曲;拉伸变形主要由气动热引起,弯曲变形主要由气动力引起;导弹头部气动热与气动力载荷大;耦合效应随着导弹攻角增加更加明显,造成导弹气动热力学环境更加严酷。     

应用TTM网格研究冲压增程弹丸进气道内外流场

基于TTM贴体网格生成法,研究了某冲压增程弹丸超音速进气道内外流场数值模拟中单区域网格生成问题,流场求解采用了二阶隐式TVD格式。NACA0012翼型跨音速流场算例结果表明,所采用的算法和编制的程序可靠,能够适用于具有亚、跨、超音速三种流态共存的复杂流场数值计算。对超音速进气道数值模拟结果显示,得到的流场复杂波系结构是合理的,来流马赫数和攻角变化显著影响着进气道性能。     

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。     

基于预处理方法的冲压式翼伞非定常气动特性数值研究

开展绕冲压式翼伞内外一体化流场的二维、不可压、非定常数值模拟。采用预处理的双时间步长方法，研究了冲压式翼伞在有攻角飞行时阻力、升力的瞬态特性和非定常旋涡脱落对翼伞气动力的影响问题。气动力特性的计算值与实验结果吻合较好，并观察到升力和阻力在大攻角飞行中的周期性变化规律。同时流场的瞬态特性证实上翼面旋涡的发展与运动是导致翼伞气动力脉动的主要原因。计算发现在前缘切口的冲压作用下，翼伞内部的压力较高，气流几乎保持滞止，这是维持翼伞充气外形的主要原因。     

火星探测器降落伞拉直过程中的“绳帆”现象研究

针对火星探测器降落伞在拉直过程中出现的“绳帆”现象,以及火星探测器降落伞开伞前初始参数和大气密度与地球环境下的差异,建立了火星探测器降落伞拉直过程的数学模型,研究了火星环境下,伞包弹射速度、开伞前进入器的攻角、开伞马赫数以及大气密度对“绳帆”现象的影响。研究结果表明,选择较大的伞包弹射速度,并将开伞前进入器的攻角严格限定在较小范围内,将有利于避免或降低“绳帆”现象的发生。这一研究结果可为我国实施火星探测时减速着陆系统的设计分析提供一定参考。