36500字硕士毕业论文高超声速航天器微[/K0/]气电制动数据仿真
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：36500字
论点：气体,制动,模拟
论文概述：
本文从高超声速飞行器再入地球上层大气，利用大气进行滑移制动这一实用背景出发，在电磁制动原理的基础上，开展了利用 DSMC方法在飞行器再入大气时弓形激波附近流场分布，磁场对弱电离
论文正文：
第一章螺纹理论
1.1主题来源
本主题是基于分子气体动力学研究方向和气体流动直接模拟的自选主题。
1.2专题研究的背景、目的和意义
自1960年代以来，世界上许多国家为了国防安全、寻找新资源和扩大人类生存，一直在深入研究与高速超音速飞机有关的技术，包括导弹、航天器、卫星、航天飞机和空。大气制动技术作为高超声速飞行器技术的重要组成部分，因其显著的优势，受到相关领域研究人员和机构的广泛关注。大气制动技术属于一种气动辅助变轨技术。它主要利用行星高层大气施加的阻力来控制飞船的速度，使飞船能够快速准确地到达预定轨道。一般制动过程如图(1-1):
从上图可以看出，大气制动过程几乎不需要消耗航天器携带的推进剂。目前，有三种方法可以考虑大气制动。首先，在2002年，“奥德赛”火星宇宙飞船通过暴露一个没有热防护系统(Thermal Protection System，TPS)的机载平板来使用大气制动来控制空气阻力的增加。然而，实际上，由于飞行器处于强对流和辐射热环境中，因此不适合将无热防护系统结构直接应用于用于轨道植入的再入舱的大气制动。然而，由于TPS问题，热气球制动技术尚未实现。最后，最可行的大气制动方法是在飞机前端放置磁场源(通常是电磁线圈，在本模拟中简化为偶极磁场B)。弓形冲击波后面的原子自发地经历一系列电离过程，例如超高温下的组合电离。产生的阳离子和电子在磁场的作用下形成环形感应电流J？此外，在洛仑兹力J×B的作用下(带电粒子运动的微观解释在第3章给出)，该力有一个与进入的流速相反的分量，如下图(1-2):
从上图(1-2)可以看出，对应于洛仑兹力的反作用力作用在飞机上，帮助飞机滑动和刹车，加速进入预定轨道的过程。这种借助微弱电流电离的滑动制动可以大大降低航天器的发射成本，并增加航天器的有效轨道载荷[1]。此外，更重要的是，电动空气制动器比仅具有机械结构的空气制动器具有优势，因为通过调节磁场强度可以容易地控制气动阻力。此外，随着超导材料的技术发展，有可能开发出具有电大气制动所需磁场强度的磁体。
有鉴于此，未来高超声速飞行器重返大气层时，电动大气制动肯定会成为制动或捕捉大气的重要技术，并将在人类探索宇宙的过程中发挥巨大作用。然而，目前还没有地面设备能够完全模拟高超声速飞行器飞行过程中遇到的复杂气动环境，同时飞行实验的成本也非常高。因此，借助计算机进行数值模拟已经成为航天器设计和研究的重要手段。然而，大多数飞机飞行空都在大气层的稀薄区域，因此稀薄气体流场的研究再次引起了各国研究者的兴趣。此外，具有巨大发展潜力的美国国家空日飞机(NASP)和空气动力学辅助飞行试验(AFE)也引起了人们对高超音速气体稀薄区域模拟研究的新兴趣。然而，稀薄气体特性的研究需要一种不同于以前的方法。
在正常情况下，我们研究的流动是连续和平滑的。采用基于连续介质模型假设的纳维尔-斯托克斯方程进行处理，实践证明是合理可行的。然而，随着飞机高度的增加，大气密度逐渐降低并变薄。当它超过一定高度时，气体的不连续粒子效应(稀薄效应)变得显著。此时，宏观量(速度、温度等)梯度的特征长度。)变得与分子的平均自由程λ相当，描述介质质量、动量和能量的守恒方程中的剪应力和热流不再可以用低阶宏观量来表征，即纳维尔-斯托克斯方程中输运系数的表达式不再正确，连续介质的假设也不再有效。通常当海拔超过80公里时，克努特森数将超过0.01。气体流场的低密度使得著名的纳维尔-斯托克斯方程不再适用，因为气体流场的线性本构关系已经失效。然而，基于离散分子模型的粒子模拟方法已经成为模拟这些流域的一种强有力和有潜力的方法。悉尼大学伯德教授提出的直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法经过几十年的发展和应用，已经在这一领域获得了相当丰富的经验。
第二章稀薄气体数值模拟理论
2.1克努特森数和天然气盆地的划分
通常我们根据克努特森数的大小来判断某一气象流量的稀薄程度。根据钱学森的建议，气流分为四个区域，即:
(1)连续介质区(kn < 0.001)。这个盆地中气体分子的碰撞频率比气体分子和物体之间的碰撞频率高得多。纳维尔-斯托克斯方程和傅里叶传热推导在气体动力学中是适用的，是经典气体动力学的研究领域。
(2)滑移流动面积或速度滑移和温度跃变面积(0.001 < kn < 0.1)纳维尔-斯托克斯方程和傅里叶传热关系推导仍适用于该盆地，但靠近物面的气流显示速度滑移和温度跃变。
(3)该盆地气体分子间的过渡带(0.1 < kn1)碰撞不再是流场中占主导地位的碰撞形式，因此可以忽略分子间的碰撞，只需考虑气体分子与界面之间的相互作用。盆地内的流动和传热问题比过渡带更容易解决，一般可以用分子运动学方法或DSMC方法来解决。
第3章DSMC规划................23-33
3.1 DSMC模拟过程和方法................23-29
3.1.1子程序设计说明................23-27 [/BR/] 3.1.2引入流边界的设置................27-28
3.1.3电网分区................28-29
3.2带电粒子在磁场中的运动................29-32
3.2.1运动轨迹计算和验证................29-31 [/BR/] 3.2.2磁场描述................31-32
3.3本章概述................32-33
第4章化学反应和弱电离模拟................33-41[/溴/] 4.1化学反应................33-36
4.1.1反应概率模型................33
4.1.2计算................33-35
基于TCE模型概率4.1.3分解反应处理模型................35-36[/溴/] 4.2弱电离来自................36-38[/溴/] 4.2.1再入电离................36-37[/溴/] 4.2.2电子的处理................37-38
4.3电子能量刺激................38-40
4.4本章概述................40-41[/br/ ]第5章计算模型的验证................41-48 [/BR/] 5.1网格生成和反射模型................41-45[/溴/] 5.1.1网格生成验证................41-44[/br/ ] 5.1.2反射结果验证................44-45
5.2克努特森数影响验证................45-46
5.3 2D轴对称模拟中径向重量因子的影响................46-47
5.4本章概述................47-48
结论
本文主要完成以下五个内容:
(1)。介绍了稀薄气体动力学中DSMC模拟的基本理论。总结了DSMC法模拟稀薄气体的基本流程，详细说明了一些关键步骤(子程序)和具体的模拟模型。[/溴/] (2)。尝试用直角坐标网格下的“弯曲矫直”方法包裹物体表面，验证了二维对称平面、矩形和圆柱的流动模拟和二维轴对称下球体的流动模拟。分析了面包卷绕法的优缺点。
(3)。引入Boris方法模拟带电粒子在磁场中的运动，并进行了验证。模拟了偶极磁场的分布，分析了磁场作用下阳离子的应力。从微观角度阐述了弱电飞机电磁制动的原理。
(4)。给出了本课题所需模拟程序中二维圆柱流的网格划分、粒子反射和努森数效应的验证结果。分析了径向权重因子对二维轴对称仿真过程和结果的影响。
(5)。根据给定的基本仿真参数，分别比较了不同努森数、不同马赫数和不同偶极子源磁场强度影响下的仿真结果。给出了飞机前端弓激波相关特性的变化，分析了这些变化对电磁制动的影响。
参考
[1]张文朴、韩波、张成义。引用该论文[。应用数学和力学。201009.
[2]铃木，k .，亚伯，t .，热化学不平衡。热物理与传热杂志，第8卷，第4期，第773-780页。
[3]罗尔斯·施耐德，布朗研发航空捕捉用弹道技术调查[]。《航天器和火箭杂志》，第44卷，第1期，第10-23页，[/比尔/] [4]乔纳森·帕，达塔诉盖通德。流过钝体的磁控制:数值验证和探索[。流体物理学第14卷，第5期，2002年
[5] Hiroshi K，Takashi A .在高超音速稀薄状态下电动气动制动的粒子模拟[C]。美洲:第27届国际稀有气体动力学研讨会，2010年[/比尔/] [6]叶产品。高超音速稀薄流中化学反应的DSMC数值模拟。Xi安:西北工业大学硕士论文。2007年
[7]里昂，桑德斯，格里菲斯，麦哲伦金星测绘任务:特技制动行动[。《宇航学报》，1995年，第35(9-11)页:669~676
[8]莱昂斯·丁特，比尔J.G火星全球探测器:空气制动任务概述[·J]。《宇宙飞船和火箭杂志》，1999，36(3):307~313
[9]史密斯，贝尔J.L. 2001火星奥德赛特技制动[J]。宇宙飞船和火箭杂志，2005，42(3)页:406~415
[10]托尔森，德怀尔，汉娜J.L .加速度计数据在火星奥德赛特技制动和大气模拟中的应用[J]。航天器与火箭杂志，2005，42(3)页:435~443