Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Важной задачей, возникающей при проектировании гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА), осуществляющих полет в атмосфере Земли и космических аппаратов (КА), в полетных сценариях которых планируется вход в атмосферу планет Солнечной системы (например, Марса), является развитие эффективных способов определения аэродинамических, тепловых и аэрофизических характеристик их обтекания. К аэрофизическим характеристикам можно отнести излучательные характеристики, необходимые для определения лучистых тепловых потоков или решения задач оптической замешости и ионизационные характеристики течения в ударном слое (УС) на плазменном участке входа в атмосферу, необходимые для решения задач радиосвязи с ГЛА.
Одним из наиболее важных вопросов, возникающих при численном моделировании неравновесного обтекания аппарата при гиперзвуковом полете в атмосфере, является выбор модели протекания физико-химических превращений в высокотемпературной газовой смеси, образующейся в ударном слое около гиперзвукового аппарата. Физико-химические превращения в многокомпонентной газовой смеси, состоящей из атомов, молекул, ионов и электронов, имеют сложный характер и в настоящее время их учет возможен лишь с использованием модельного описания. Это описание не всегда полностью адекватно происходящим в полетных условиях процессам, что, естественно, может приводить к неточностям в определении параметров, характеризующих термодинамику течения в ударном слое около аппарата В связи с этим особую актуальность приобретает верификация кинетических и численных моделей на основе результатов летного и трубного экспериментов Для условий гиперзвукового полета в воздухе такие верификационные исследования проводились в последние годы в США, Европе, Японии и России. &ш исследования привлекли новую волну интереса к разработке моделей физико-химических процессов и кинетики реакций в высокотемпературном воздухе. В ходе проведенных исследований созданы модели, позволяющие, в ряде случаев, получать наиболее интересные с практической точки зрения характеристики обтекания аппаратов сложной конфигурации при гиперзвуковом полете в атмосфере Земли. Однако необходимый процесс верификационных исследований далеко не завершен.
Разрабатываемые в настоящее время концепции исследования планет Солнечной системы поставили аналогичные задачи описания неравновесньж физико-химических превращений в условиях входа спускаемых аппаратов в атмосферы планет с менее изученными и, зачастую, более сложными газовыми
!
*0С. НАЦИОНАЛЬНАЯ 6ИЁЛН0ТЕКА
смесями. Программа изучения термофизических процессов в ударном слое около аппарата, входящего в марсианскую атмосферу, является одной из них. Отсутствие однозначных данных по особенностям физико-химических процессов в условиях входа в марсианскую атмосферу и невозможность постановки специальных летных экспериментов, аналогичных проведенным в атмосфере Земли, делают особенно важным совместное проведение численного и лабораторного экспериментов по исследованию особенностей неравновесньж термофизических процессов в смесях и при условиях, моделирующих параметры входа аппарата в атмосферу Марса.
Результаты диссертации получены в ходе выполнения работ по тематическим планам ФГУП ЦАГИ, Грантам РФФИ и Проекту МНТЦ, направленных на решение фундаментальных и прикладных задач физической газодинамики высокоскоростных течений. Цель работы:
Численный анализ влияния выбора отдельньж важных элементов кинетической модели на параметры неравновесного течения в ударном слое для условий входа в атмосферы Земли и Марса.
Проведение верификационных исследований на основе сравнения результатов численного моделирования с данными стендовых и летных экспериментов.
Численные исследования особенностей неравновесньж излучательных и ионизационньж характеристик течений при полете ГЛА в атмосфере Земли со скоростью до 8 км/с.
Численное моделирование неравновесньж лучистых тепловых потоков для условий входа КА в атмосферу Марса.
Научная новизна
Новыми в диссертационной работе являются следующие положения и
результаты:
Используя результаты летных экспериментов по программам Bow Shock и RAM (США) было установлено, что отбор элементов кинетической модели позволяет удовлетворительно согласовать результаты экспериментов и численного расчета и сделать выбор в пользу определенных моделей колебательной релаксации, колебательно-диссоциационного взаимодействия и ассоциативной ионизации для численного моделирования ионизационно излучательных процессов в условиях гиперзвукового полета в атмосфере Земли.
При верификации элементов кинетических моделей, соответствующих условиям входа в марсианскую атмосферу, на основе сравнения
результатов, полученных при экспериментах в электроразряднои ударной трубе, и на основе численного моделирования удалось уточнить константы скоростей диссоциации С02, реакций обмена зарядом и выявить некоторые особенности неравновесньж излучательньж процессов, вносящих основной вклад в излучение, генерируемое в ударном слое около аппаратов в диапазоне скоростей их полета 4-8 км/с.
В ходе численного моделирования неравновесньж процессов
излучения и ионизации при обтекании тел в условиях гиперзвукового
полета в воздухе показано, что неравновесное излучение ударного
слоя превосходит тепловое излучение нагретой поверхности ГЛА
только в УФ-области спектра, причем основной вклад в УФ-излучение
вносит область ударного слоя в окрестности критической точки.
Определены некоторые особенности процесса неравновесной
ионизации при гиперзвуковом обтекании тел с малым радиусом
затупления.
Для конкретной формы космического аппарата на траектории его
входа в марсианскую атмосферу проведено численное моделирование
неравновесньж процессов в ударном слое и определены величины
конвективньж и лучистьж тепловьж потоков к поверхности в области
его критической точки.
Практическая ценность работы.
Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, могут
быть использованы при:
решении аэрофизических задач в условиях гиперзвукового полета, в частности, для выбора оптимальных форм и траекторий полета ГЛА по критерием устойчивой радиосвязи с ним или для анализа оптической заметности аппаратов в спектре излучения ударного слоя;
определении оптимальных схем теплозащиты КА в условиях входа в атмосферу Марса с учетом неравновесньж конвективньж и лучистьж тепловьж потоков.
Результаты выполненных верификационных исследований позволяют повысить точность численного моделирования неравновесньж физико-химических процессов для условий высокоскоростного полета в атмосфере Земли и Марса.
Достоверность результатов.
Достоверность результатов диссертационной работы определяется верификацией численных моделей стендовыми и летными экспериментами и сравнением их с расчетами других авторов.
Основные положения, выносимые на защиту.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
Выбор отдельных элементов кинетических моделей на основе сравнения ионизационных и излучательных характеристик обтекания тел в численном расчете и летном эксперименте при входе в атмосферу Земли.
Верификация элементов кинетических моделей для условий входа в атмосферу Марса на основе сравнительного анализа данных лабораторных и численных экспериментов.
Численное моделирование некоторых особенностей ионизационных и
излучательных неравновесных процессов в ударном слое для условий
полета в атмосфере Земли со скоростью до 8 км/с.
Численное исследование излучательных процессов для условий входа
в атмосферу Марса и прогноз величин неравновесных конвективных и
лучистых тепловых потоков к поверхности космического аппарата.
Апробация работы.
Основные результаты и положения, изложенные в диссертации, докладывались на 21-st International Symposium on Rarefied Gas Dynamics, (Marseille, France, 1998), Conference Thermal Plasma Processes-5, (1998, St.-Petersburg, Russia), 9-th International Conference on the Methods of Aerophysical Research, (1998, Novosibirsk), 3-rd European Symposium on Aero thermodynamics for Space Vehicles, ESTEC, (Noordwijk, The Netherlands, 1998), 8-ом Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике, (Пермь, 2001), школе-семинаре молодых ученых и специалистов "Актуальные проблемы аэрокосмической науки" (Жуковский, 2001), 4-the European Symposium. Aeroteimodynamics for Space Application, (Capua, Italy, 2001), 2-ой международной школе-семинаре "Модели и методы аэродинамики", (Евпатория, Украина, 2002), 2-ой международной научно-техническая конференции молодых ученых и специалистов "Современные проблемы аэрокосмической науки и техники" (Жуковский, 2002), 5-th Chineese-Russian Conference on Hypersonic Rows, (Shanghai, China, 2002), международной конференции "Системы и технологии будущего изучения и освоения космического пространства", (Москва, 2003), 4-th European Workshop on
Radiation, (Lisbon, Portugal, 2003), 3-ей международной школе-семинаре "Модели и методы аэродинамики" (Евпатория, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ. Структура объем диссертации
Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 145 печатных страницах машинописного текста, включая 50 рисунков и 10 таблиц. Библиографический список содержит 96 наименования.
