真实气体效应对MSL火星进入气动特性的影响研究.pdf

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1、航天返回与遥感第38卷第4期8SPACECRAFTRECOVERY&REMOTESENSING2017年8月真实气体效应对MSL火星进入气动特性的影响研究梁杰李志辉杜波强方明（中国空气动力研究与发展中心超高速所，绵阳621000）摘要探测器超高速进入火星过程的高温真实气体效应对飞行稳定性和防热系统影响极大，需要在初步设计阶段对探测器的气动力热特性进行精确预测。文章构建了采用流场直角与表面非结构混合网格以及网格自适应的直接模拟蒙特卡洛方法，模拟稀薄环境高温真实气体效应的依赖于温度的多原子分子振动激发和8组份54化学反应模型。通过计算“火星探

2、路者”外形气动力系数随攻角的变化，并与文献提供的计算结果对比，有较好的一致性，验证了该文算法的可靠性。文章模拟了“火星科学实验室”在火星大气环境70km高度、进入速度为5.85km/s下的高温真实气体效应对气动力、气动热和流场特征的影响。通过与完全气体计算结果对比，表明高温真实气体效应影响下的激波脱体距离减小，表面热流降低，轴向力系数增加、配平攻角减小、压心位置随攻角变化显著。关键词深空探测火星进入直接模拟蒙特卡洛方法真实气体效应气动特性中图分类号:V211.3文献标志码:A文章编号:1009-8518(2017)04-0008-10DO

3、I:10.3969/j.issn.1009-8518.2017.04.002NumericalResearchofRealGasEffectonMSLMarsEntryAerodynamicCharacteristicsLIANGJieLIZhihuiDUBoqiangFANGMing（HypervelocityAerodynamicsInstitute,ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter,Mianyang621000,China）AbstractThehightemperaturere

4、algaseffectshavegreatimpactonflightstabilityandthermalprotectionsystemduringMarsexplorationvehiclesentryintheMartianatmosphereathypersonicspeed.Theprecisepredictiononaerothermodynamiccharacteristicsshouldbeperformedinpreliminarydesignstage.ThedirectsimulationMonteCarlo(DS

5、MC)methodisestablishedonahybridstructureofCartesiancoordinatemesh,surfaceunstructuredtriangularcellandadaptivegridprocedure.Temperaturedependenceofpolyatomicmoleculesvibrationalexcitementandeightspeciesandfifty-fourchemicalreactionmodelareincludedtosimulaterealgaseffectsi

6、nrarefiedenvironment.ThecomputedMarsPathfinderaerodynamiccoefficientvariationswithanglesofattackhavegoodagreementswithreferenceresultstoverifythereliabilityofpresentalgorithm.TheMarsScienceLaboratory(MSL)aerothermodynamicsaresimulatedinentryspeedof5.85km/sat70kmaltitude.T

7、heeffectsofhightemperaturerealgasonaero-force,aero-thermalandflowfieldsareinvestigated.Comparedwithperfectgasmodel,theresultsshowthatrealgaseffectsreducethestandoffdistanceofshockwaveandsurfaceheatflux,makeaxialcoefficientsincrease,trimangledecreaseandpressure收稿日期：2016-12

8、-05基金项目：973计划（2014CB744100）；国家自然科学基金（91530319、11325212）第4期梁杰等:真实气体效应对MSL火星进入气动特性的影响研究9centerposi