火星环绕器羽流效应仿真研究

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1、火星环绕器羽流效应仿真研究陈杰贺碧蛟蔡国飙北京航空航天大学宇航学院摘要：火星探测器发动机羽流效应影响飞行任务的安全，釆用差分求解NS方程与直接模拟蒙特卡洛耦合的方法对火星环绕器姿轨控发动机羽流力、热以及污染效应进行丫仿真研究。结果表明：发动机羽流对火星环绕器气动力、热及污染效应影响主要在发动机储箱上，最大热流值可以达到1789W/m2,需要注意;发动机羽流对展开太阳能电池翼的气动力和气动力矩相对于发动机推力和推力力矩来说，小34个量级，影响较小；己分离着陆器在距发动机出口300m以内时，羽流对已分离着陆器的影响较大，气动热流在10

2、0W/m2以上;在100m以内吋，气动热流在1000W/m2以上，需要对敏感设备采取一定的防护措施。不同热适应系数气动热流仿真对比计算结果表明，随着热适应系数的增加，热流密度值呈线性增加。数值模拟结果可以为火星环绕器工程设计提供参考。关键词：火星探测;火星环绕器;羽流效应;DSMC;作者简介：陈杰，男，硕士研究生，研宂方向为姿轨控发动机羽流效应仿真。E-mail:fyaycj@163.com作者简介：贺碧蛟，男，博士，讲师，研究方向为航天器真空羽流效应。E~mai1:hbj@buaa.edu.cn收稿日期：2017-04-17Si

3、mulationStudyofPlumeEffectonMarsProbeCHENJieHEBijiaoCAIGuobiaoSchoolofAstronautics，BeihangUniversity;Abstract：TomitigatethethreatofthemotorplumeontheflightmissionoftheMarsprobe,thehybridNSequations/DSMCmethodwasusedtosimulatetheplumeeffectontheMarsprobe.Thesimulationr

4、esultsshowedthattheplumeofthemotormainlyaffectedthestorageboxandthemaximumheatflowreached1789W/mTheeffectsoftheaerodynamicforceandthetorquerelativetothereferencepointontheexpendedsolarwingwere3~4orders’smallerthanthatofthemotor.TheplumeeffectontheseparatedMarslanderw

5、ithin300mwaslarge,andthevalueoftheaerodynamicheatfluxwasmorethan100W/m2.Within100m,thevalueoftheaerodynamicheatfluxwasmorethan1000W/m2.Sosomeprotectivemeasuresforthesensitiveequipmentwasnecessary.Thesimulationwithdifferentthermalaccommodationcoefficientsshowedthatwith

6、theincreaseofthethermalaccommodationcoefficient,theheatflowvalueincreasedlinearly.ThenumericalsimulationresultscanprovidereferencesfortheengineeringdesignoftheMarsprobs.Keyword：Marsexploration;Marsorbiters;plumeeffect;DSMC;Received：2017—04-171引言2020年我国将进行首次火星探测，火星环绕器作

7、为火星探测系统的一部分，将要完成地火转移飞行和轨道修正、完成火星捕获、进入火星停泊轨道、与巡视器可靠分离、携带载荷完成环火遥感等科学探测任务。由于发动机羽流会对火星环绕器及其上敏感设备、太阳能帆板等产生气动力和力矩、气动热以及污染效应，对火星环绕器的正常工作造成影响。为了使火星环绕器能够顺利完成任务，需要对火星环绕器发动机羽流效应进行仿真研宄。直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法U1是目前模拟发动机羽流效应较为成熟的方法。基于DSMC方法，北京航空航天大学的蔡国親等人开发了PWS(PlumeWorkStation)软件［2-3］，验证

8、算例表明软件具有较高的置信度以1。PWS软件已成功应用在神舟飞船、嫦娥3号着陆器等航天器的羽流仿真研允中［5-6］。本文采用差分求解NS(Navicr-Stokcs)方程与DSMC相耦合的方法UL使用PWS对不同工况下发动机羽流对环绕器表面及敏感元