高超声速再入钝头体飞行走廊等离子体化学反应分析

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31735

流体力学与飞行力学

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高超声速再入钝头体飞行走廊等离子体化学反应分析

关山月¹, 田正雨¹(), 谢文佳¹, 付黔粤¹, 褚雨航¹, 朱家俊²

^1.国防科技大学空天科学学院，长沙 410073
^2.湖南大学材料科学与工程学院，长沙 410082

收稿日期:2024-12-30 修回日期:2025-02-24 接受日期:2025-03-24 出版日期:2025-09-25 发布日期:2025-03-28
通讯作者: 田正雨 E-mail:tianzhengyu_kd@163.com
基金资助:
国防基础科学研究计划(JCKY2022110C069);国家自然科学基金(12202490);湖南省自然科学基金(2024JJ6455);湖南省自然科学基金(11472004)

Analysis of plasma chemical reactions of hypersonic reentry blunt in flight corridor

Shanyue GUAN¹, Zhengyu TIAN¹(), Wenjia XIE¹, Qianyue FU¹, Yuhang CHU¹, Jiajun ZHU²

^1.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China
^2.College of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China

Received:2024-12-30 Revised:2025-02-24 Accepted:2025-03-24 Online:2025-09-25 Published:2025-03-28
Contact: Zhengyu TIAN E-mail:tianzhengyu_kd@163.com
Supported by:
National Defense Basic Scientific Research Program of China(JCKY2022110C069);National Natural Science Foundation of China(12202490);Natural Science Foundation of Hunan Province(2024JJ6455)

摘要/Abstract

摘要：

再入飞行器在高速穿越大气层时，会遭遇“黑障”现象，严重影响通信。为准确模拟等离子体流场，必须依赖准确的化学反应模型，然而，现有模型的适用范围尚未得到充分界定。采用灵敏度分析方法，针对飞行走廊上球头驻点线流场进行分析，旨在评估电离反应的重要程度。研究发现，在飞行高度58~64 km、马赫数11~15范围内，仅需要考虑N原子和O原子的缔合电离反应；而在飞行高度64~70 km、马赫数15~19范围内，除了N原子和O原子的缔合电离反应外，还需要考虑O原子间的缔合电离反应；在飞行高度64~70 km、马赫数19~22时，N原子间的缔合电离反应变得不可忽视；在飞行高度60~70 km、马赫数22~26范围内，需要增加N原子和O原子的电子碰撞电离反应，此时需要考虑所有的电离反应。研究为化学反应模型的选择和应用提供了重要的理论依据和参考，有助于提高再入飞行器等离子体流场模拟的准确性和可靠性。

关键词: 高超声速, 黑障, 等离子体流场, 化学反应模型, 电离反应, 灵敏度分析

Abstract:

During hypersonic atmospheric entry， vehicles encounter the “blackout” phenomenon， which severely affects communications. To accurately simulate the plasma flow field， it is essential to rely on accurate chemical reaction models. However， the applicability range of existing models has not been fully defined. This study employs sensitivity analysis to analyze the stagnation line flow field of the spherical nose in the flight corridor， aiming to evaluate five ionization reactions. The study finds that， in the altitude range of 58-64 km and Mach number range of 11-15， only the associative ionization reaction of nitrogen （N） and oxygen （O） atoms needs to be considered. In the altitude range of 64-70 km and Mach number range of 15-19， in addition to the associative ionization reaction of N and O atoms， the associative ionization reaction of O atoms must also be considered. Furthermore， in the altitude range of 64-70 km and Mach number range of 19-22， the associative ionization reaction between N atoms also become significant. Within the flight altitude range of 60-70 km and Mach number range of 22-26， it is necessary to consider the electron-impact ionization reactions of N and O atoms. Meanwhile， all ionization reactions should be taken into account. This study provides important theoretical basis and reference for the selection and application of chemical reaction models， contributing to improving the accuracy and reliability of plasma flow field simulation for re-entry vehicles.

Key words: hypersonic, blackout, plasma flow, chemical reaction model, ionization reaction, sensitivity analysis

中图分类号:

V211.3

关山月, 田正雨, 谢文佳, 付黔粤, 褚雨航, 朱家俊. 高超声速再入钝头体飞行走廊等离子体化学反应分析[J]. 航空学报, 2025, 46(18): 131735.

Shanyue GUAN, Zhengyu TIAN, Wenjia XIE, Qianyue FU, Yuhang CHU, Jiajun ZHU. Analysis of plasma chemical reactions of hypersonic reentry blunt in flight corridor[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(18): 131735.

图/表 17

表1

图 1

表2

图 2

图 3

表3

5个涉及电子的电离反应

序号	种类	反应方程式
反应1	缔合电离反应	$Ν + Ο ⇔ Ν Ο + + e -$
反应2	缔合电离反应	$Ο + Ο ⇔ Ο 2 + + e -$
反应3	缔合电离反应	$Ν + Ν ⇔ Ν 2 + + e -$
反应4	电子碰撞电离反应	$Ο + e - ⇔ Ο + + 2 e -$
反应5	电子碰撞电离反应	$Ν + e - ⇔ Ν + + 2 e -$

表3

图 4

图 5

图 6

表4

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

表5

不同高度重要的电离反应

高度/km	马赫数	重要电离反应
58~64	11~15	$Ν + Ο ⇔ Ν Ο + + e -$
64~70	15~19	$Ν + Ο ⇔ Ν Ο + + e -$ $Ο + Ο ⇔ Ο 2 + + e -$
64~70	19~22	$Ν + Ο ⇔ Ν Ο + + e -$ $Ο + Ο ⇔ Ο 2 + + e -$ ， $Ν + Ν ⇔ Ν 2 + + e -$
60~70	22~26	$Ν + Ο ⇔ Ν Ο + + e -$ $Ο + Ο ⇔ Ο 2 + + e -$ ， $Ν + Ν ⇔ Ν 2 + + e -$ $Ο + e - ⇔ Ο + + 2 e -$ ， $Ν + e - ⇔ Ν + + 2 e -$

表5

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序号	特征值		特征值偏差/%	绝对值较大的特征矢量分量（≥0.1）		特征矢量分量偏差/%
序号	本文	文献［30］	特征值偏差/%	本文	文献［30］	特征矢量分量偏差/%
1	1.756 0×10⁴	1.750×10⁴	0.343	-0.730，0.681	-0.73，0.68	0.074
2	3.667 0×10³	3.650×10³	0.466	-0.715，0.699	-0.72，0.70	0.419
3	14.770 0	14.700	0.476	0.800，-0.597	0.80，-0.60	0.250
4	11.780 0	11.700	0.684	0.909，-0.368，-0.167	0.91，-0.37，-0.17	0.805
5	2.037 0	2.040	-0.147	0.800，0.599	0.80，0.60	0.083
6	1.002 0	1.000	0.200	0.999	1.00	0.100
7	0.936 5	0.937	-0.053	-0.704，-0.664，-0.230	-0.71，-0.66，-0.23	0.483
8	0.872 4	0.872	0.046	-0.901，-0.349，0.194，0.153	-0.90，-0.35，0.19，0.15	1.126
9	4.141 0×10^-4	4.100×10^-4	1.000	0.981，0.178	0.98，0.18	0.607

状态	高度/km	静压/Pa	静温/K	马赫数
v1	61	19.157 50	244.273	24.42
v2	71	4.479 56	216.846	25.92

高度/km	静温/K	静压/Pa	马赫数及状态
58	252.518	28.723 7	11.2（a），13.2（b），15.2（c）
64	236.036	12.605 8	15.0（d），17.0（e），19.0（f）
70	219.585	5.220 9	17.8（g），19.8（h），21.8（i）

高超声速再入钝头体飞行走廊等离子体化学反应分析

Analysis of plasma chemical reactions of hypersonic reentry blunt in flight corridor

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