飞行器上层大气层空气动力特性探讨

针对近地轨道飞行器所面临的上层大气层（100~300 km）空气动力学问题,对几类典型航天器构型的上层大气层气动力特性进行了分析,给出了典型气动布局在该空域的气动力基本规律,取得了对上层大气层气动力关键影响因素的初步认识.在上层大气层,飞行器的绕流属于自由分子流状态.研究发现,气体分子与不同材质物面的相互作用反映出截然不同的升力和阻力特性.对于1 m2气动受力面的飞行器,在100~200 km轨道高度存在大于1 mN的气动力,在接近300 km轨道高度时受到的气动力则远小于1 mN.在一般条件下,飞行器的升阻比小于1.但是,当物面适应系数约为0.2时,在100~200 km轨道高度存在升阻比大于1的状态,这一特点体现了上层大气层气动力学的基本特性.据此认为,100~200 km是气动力可利用的飞行空域,在此空域开展上层大气层空气动力学研究,对于未来发展上层大气层飞行器意义重大.      

大尺度网格下DSMC仿真碰撞概率的修正方法

从DSMC碰撞概率的实现途径出发,通过引入最小二乘法及亚松弛的思想给出一种大尺度网格下分子仿真碰撞概率的修正方法,将该方法应用于非结构四面体网格下的DSMC模拟中,计算分析了文献中钝锥模型的绕流结果,数值结果初步验证了本文方法的合理性和有效性。     

航天器表面环境散射返回流TPMC模拟

介绍试验粒子Monte Carlo(test particle Monte Carlo,TPMC)方法,并采用该方法对4种航天器表面出气分子形成的环境散射返回流进行数值模拟.其中,圆球出气表面的计算结果与已有的DSMC(direct simulation Monte Carlo)结果一致,验证了方法的正确性.此外,对不同出气和来流条件下圆形平板、凸半球和凹半球3种航天器简化表面出气分子形成的环境散射返回流进行计算,结果表明:出气表面外形是影响返回通量比的一个重要因素;圆形平板和凹半球出气表面的返回通量比远大于凸半球表面的;凹半球表面的出气分子会直接和出气表面碰撞形成直接流污染,且其量级远大于返回流污染.因此,在航天器设计中尽可能使用凸形表面作为敏感的出气表面可以有效降低出气分子污染.