火星进入器高空稀薄气动特性.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaMay252017V01．38No．5SSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．crlhkxb@buaaedu．cn火星进入器高空稀薄气动特性黄飞1，吕俊明1’“，程晓丽1，李齐21．中国航天空气动力技术研究院，北京1000742．中国空间技术研究院总体部，北京100094摘要：针对火星稀薄大气环境进入器气动特性问题，以类火星科学实验室外形为例，计算分析火星稀薄大气真实气体效应对气动特性

2、的影响，给出火星高空稀薄环境下的气动特性规律。研究发现，随着飞行高度的增加，稀薄度增加，激波脱体距离、激波厚度增大，激波强度减弱，明显的激波结构逐渐消失，流场等值线更趋于圆弧状分布；真实气体效应使得迎风面压缩及背风面膨胀增强，轴向力、法向力及顶点力矩系数等预测结果与完全气体模型预测结果相比绝对值偏大；随着稀薄度增大，轴向力、法向力及顶点力矩系数等绝对值增大，在同样的迎角下，随稀薄度的增加，纵向压心前移，进入器的静稳定性变差。关键词：火星；进入器；稀薄；直接模拟蒙特卡罗；气动特性中图分类号：V211．3文献标识

3、码：A文章编号：1000—6893(2017)05—120457—07火星是目前科学家勘探到的自然环境最接近地球的星球，是太阳系中除金星之外离地球最近的行星，也是人类最感兴趣的行星之一。人类使用空间探测器对火星进行了大量的探测研究，50多年来，苏联、美国、日本、俄罗斯和欧洲共相继开展了40多次火星探测计划，其中美国的海盗号(Viking)进入器，于1976年首次成功进入火星轨道，传回了大量的火星图片及数据[1J，之后几十年美国先后发射了火星探路者号(MarsPathfinder)、凤凰号(Phoenix)[2

4、]、火星科学实验室(MarsScienceLaboratory)[31等多个火星进入器。然而，诸如美国的Mariner8、DeepSpace2、苏联的Mars6、欧空局的MarsExpress等大量火星进入失败的教训[4]，对准确预测进入器在火星环境中的气动特性提出了更为严格的要求[5“]，火星探测任务逐渐受到各航天大国的重视。与地球大气相比较，火星大气存在以下特点：①大气组分主要为95．32％的C0：气体，2．7％的N：、1．6％的Ar及少量的其他气体；②密度仅为地球大气的1％，大气极为稀薄；③火星大气温度

5、比地球大气低50～70K左右，且昼夜温差极大；④气候环境变化复杂，气候也并不完全随季节变化，这些复杂环境使得未来飞行器在飞行中遇到的大气环境参数与已有数据存在严重偏差，亦即未来飞行中的大气参数存在严重的不确定性。这些复杂的大气环境特征对进入器气动特性的预测带来了极大的挑战。本文针对火星环境下进入器存在的稀薄气动特性问题，以火星科学实验室的类似外形为例，采用稀薄流区相对较为成熟的直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法对火星高空稀薄环境下的气动特性规律及火星大气高空真实气体的影响规律进行了收稿日期：2016．05—20

6、；退修日期：2016-07-22；录用日期：2016-09—27；网络出版时间：2016—10—1810：01网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail门11929．V．20161018．1001004．html基金项目：国家自然科学基金(11402251)*通讯作者．E-mail：junminglyu@foxmail．com}

7、嗣格武：黄飞．s俊镑，程晓丽．等i火星进入器高空稀薄气动特性￡Jj．航空学报．2017．38(5)：120457HUANGF。LYUJM．CHENGXL，etalA

8、erodynamicsofMarsentryvehiclesunderhypersonicrarefiedcondition[J9．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2017，38(5)：120457120457．1航空学报计算分析，给出此类似外形在火星环境下的气动特性规律，为进入器稀薄流区的气动设计提供技术支撑。1计算方法DSMC[71方法的主要思想是采用有限个模拟分子代替真实分子，在计算机中进行分子与分子之间、分子与物面之间的相互碰撞模拟，整个模拟中分子之间及其与物面

9、之间不断交换动能与内能，待模拟足够的时间步以后，采样统计给出每个网格中的宏观流场结果。本文计算中分子之间采用VHS(VariableHardSphere)碰撞模型，能量交换采用L—B(Larsen-Borganoff)L83模型，计算中的气体组分主要考虑了97％的CO。及3％的N。，真实气体模型采用热非平衡模型，该模型主要考虑了转动能及振动能激发下的热非平衡特性。由于CO：分子结构中3个原子位于一条