充气式减速结构壁面变形对热化学非平衡流场的影响

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30727

柔性气动减速技术专栏

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充气式减速结构壁面变形对热化学非平衡流场的影响

刘宇¹^,²(), 赵淼¹^,², 何青松¹^,²

^1.北京空间机电研究所，北京 100094
^2.中国航天科技集团有限公司航天进入减速与着陆技术实验室，北京 100094

收稿日期:2024-05-23 修回日期:2024-06-19 接受日期:2024-07-12 出版日期:2025-01-15 发布日期:2024-07-23
通讯作者: 刘宇 E-mail:413908179@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金(12005014)

Influence of surface deformation of inflatable deceleration structure on thermochemical non-equilibrium flow

Yu LIU¹^,²(), Miao ZHAO¹^,², Qingsong HE¹^,²

^1.Beijing Institute of Aerospace Mechanics and Electricity，Beijing 100094，China
^2.Laboratory of Aerospace Entry，Descent and Landing Technology，China Aerospace Science and Technology Corporation，Beijing 100094，China

Received:2024-05-23 Revised:2024-06-19 Accepted:2024-07-12 Online:2025-01-15 Published:2024-07-23
Contact: Yu LIU E-mail:413908179@qq.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12005014)

摘要/Abstract

摘要：

在高超声速来流压力的作用下，充气式减速结构壁面在迎风面会发生变形，进而对流场产生影响。基于热化学非平衡反应模型，对充气式减速结构在壁面变形前后的流场进行了仿真计算，分析了在不同来流迎角下，壁面变形对流场特征、壁面热流及壁面压力的影响。充气式减速结构外形为球锥组合体，由刚性端面和6个充气环组成，半径为2.4 m，半锥角为60°。计算采用5组分双温度热化学反应模型，壁面催化条件包括非催化壁面和完全催化壁面。结果表明：壁面变形会导致充气式减速结构激波层内出现周期性的温度和压力波动，以及离解组分的非均匀分布；壁面变形对流场各参数的影响随着来流迎角增大而减弱；壁面变形后，流速的变化导致壁面在充气环处热流升高、压力降低，在充气环之间凹陷处热流降低、压力升高，壁面变形对压力造成的影响要弱于对热流的影响；壁面变形后充气减速结构前端面气动力系数无明显变化。

关键词: 充气式减速, 高超声速, 气动热, 非平衡反应, 双温度模型

Abstract:

Under the pressure of hypersonic inflow， the surface of the inflatable deceleration structure will deform on the windward side， thereby changing the flow field. To analyze the influence of surface deformation on the flow， simulations are conducted for the flow past the inflatable deceleration structure before and after surface deformation based on the thermochemical non-equilibrium reaction model. The shape of inflatable deceleration structure is a blunt nosed cone with a radius of 2.4 m and a half cone angle of 60°， consisting of a rigid head face and 6 inflatable rings. The numerical model adopts a 5-component dual-temperature thermochemical reaction model， and the wall catalytic conditions include non-catalytic and fully catalytic wall. The influence of surface deformation on flow characteristics， heat flux， and pressure under different attack angles is investigated. The results show that surface deformation can lead to periodic temperature and pressure fluctuations in the shock layer of the inflatable deceleration structure， as well as non-uniform distribution of dissociated components. The influence of surface deformation on flow variables weakens as the attack angle increases. After surface deformation， the change in velocity leads to increase in the heat flux and decrease in the pressure at inflatable rings， as well as decrease in the heat flux and increase in the pressure at the concavities between inflatable rings. The effect of surface deformation on the pressure is weaker than that on the heat flux. There is no significant change in the aerodynamic coefficients of the front face of the inflatable deceleration structure after deformation.

Key words: inflatable deceleration, hypersonic flow, aerothermodynamics, non-equilibrium reaction, dual-temperature model

中图分类号:

V211

刘宇, 赵淼, 何青松. 充气式减速结构壁面变形对热化学非平衡流场的影响[J]. 航空学报, 2025, 46(1): 630727.

Yu LIU, Miao ZHAO, Qingsong HE. Influence of surface deformation of inflatable deceleration structure on thermochemical non-equilibrium flow[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(1): 630727.

图/表 33

表 1

5组分化学反应模型

化学反应	A/（m³·mol^-1·s^-1）	B	C/K
$N 2 + M ↔ 2 N + M$	3.70×10¹⁵（M=N₂，O₂，NO）	-1.6	113 200
$N 2 + M ↔ 2 N + M$	1.11×10¹⁶（M=N，O）	-1.6	113 200
$O 2 + M ↔ 2 O + M$	2.75×10¹³（M=N₂，O₂，NO）	-1.0	59 500
$O 2 + M ↔ 2 O + M$	8.25×10¹³（M=N，O）	-1.0	59 500
$N O + M ↔ N + O + M$	2.30×10¹¹（M=N₂，O₂，NO）	-0.5	75 500
$N O + M ↔ N + O + M$	4.60×10¹¹（M=N，O）	-0.5	75 500
$N 2 + O ↔ N O + N$	2.16×10²	1.29	19 220
$N O + O ↔ O 2 + N$	3.18×10⁷	0.10	37 700

表 1

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

图 21

图 22

图 23

图 24

图 25

图 26

图 27

图 28

图 29

图 30

图 31

表 2

参考文献 29

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迎角/（°）	气动力系数	原壁面	变形壁面	相对变化/%
0	C_x	1.487	1.484	-0.20
5	C_x	1.456	1.461	0.34
	C_y	3.582×10^-2	3.610×10^-2	0.78
	C_m	2.088×10^-2	2.167×10^-2	3.78
10	C_x	1.300	1.304	0.31
	C_y	1.050×10^-1	1.039×10^-1	-1.05
	C_m	6.717×10^-2	6.693×10^-2	-0.36

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充气式减速结构壁面变形对热化学非平衡流场的影响

Influence of surface deformation of inflatable deceleration structure on thermochemical non-equilibrium flow

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