充气式返回舱化学非平衡仿真分析

采用空气五组分模型对充气式返回舱的气动特性进行了化学非平衡数值模拟研究,考察了返回舱外形变化对流场温度和压力的分布以及壁面热流密度和压强的影响,分析了流场中组分分布情况。研究结果表明,外形变化在总体上对返回舱流场特性影响较小,会使舱体壁面处的热流密度有所增加;对流场组分分布的研究发现,由于N 2比O 2更难解离,在整个流场中N的摩尔分数远低于O的摩尔分数;在目前的计算条件下,沿轴线和壁面的氮氧比与来流基本保持一致。仿真结果在总体上与实验结果符合较好,验证了仿真模型的可靠性。

不同迎角和速度下充气式返回舱气动性能预测

减速是返回式航天飞行器必须面对的关键性问题。充气式返回舱通过降低返回系统的质量增加了有效载荷,具有质量轻、易折叠包装、展开阻力面积大,再入时弹道系数低和产生的气动热量小等优点。文章以美国NASA的充气式返回舱(IRV-3)为研究对象,采用有限体积法进行了不同速度和迎角下的流场数值计算。研究对比了充气式返回舱在粘性模型和无粘模型下的流场数值结果,发现无粘模型在超声速情况下能满足一定的精度要求,提高了计算稳定性和计算效率。考察了不同迎角、速度下充气式返回舱的气动性能,结果表明阻力系数随着马赫数增加升高之后再逐渐降低,在Ma=5时气动阻力最大;合适的迎角可以降低俯仰力矩系数,增加返回舱的稳定性;迎角在小角度变化时,俯仰力矩系数和升力系数变化较大,而阻力系数变化较小。文章的研究结果对充气式返回舱的设计及分析有一定参考意义。

空气物性对充气式返回舱流场特性的影响

空气物性参数对于飞行器再入流场特性的预测十分重要,目前对充气式返回舱流场特性的预测常采用Sutherland公式,而充气式返回舱高速再入流场温度较高,Sutherland公式并不适用。为研究空气物性对充气式返回舱流场特性的影响,为充气式返回舱的工程设计提供一定理论参考,分别采用Gupta拟合的高温空气物性参数以及Sutherland公式对充气式返回舱的流场特性进行了数值模拟研究,比较了两者计算结果的差异。结果表明,采用Gupta拟合公式获得的流场温度低于Sutherland的计算结果,且这种差异在高来流马赫数和温度的工况更加明显。对返回舱迎风面的热流密度和压强的研究发现,Sutherland公式低估了迎风面的热流密度和压强,其中热流密度的低估程度比压强的低估程度更大,工况5中Gupta拟合公式获得的热流密度峰值高出Sutherland公式获得的热流密度峰值29%。