液体火箭反推进再入过程底部热环境与流动特性
收稿日期: 2025-09-10
修回日期: 2025-10-23
录用日期: 2025-11-28
网络出版日期: 2025-12-15
基金资助
民用航天技术预先研究项目(D020201)
Base-region thermal environment and flow characteristics of liquid rocket in retro-propulsion re-entry process
Received date: 2025-09-10
Revised date: 2025-10-23
Accepted date: 2025-11-28
Online published: 2025-12-15
Supported by
Civil Aerospace Technology Pre-Research Project(D020201)
可重复使用液体火箭是未来航天运输系统的重要发展方向，火箭垂直再入过程中底部发动机以非规则构型迎风下降，局部热环境和流动特性十分复杂。针对猎鹰9号v1.2的构型设计箭体，根据再入过程的特点选取了高空动力减速、高空气动减速、低空气动减速、低空动力减速4个典型阶段，开展了发动机迎风再入绕流气动特性仿真研究。再入过程箭体热环境呈高度瞬态、非均匀特征，羽流结构随高度和发动机工况发生显著变化。动力减速阶段因羽流-来流强耦合，其流动紊乱程度与热流峰值均显著高于气动减速阶段。二次燃烧对低空远场羽流的热影响具有全域性。4个典型阶段中，最大热流始终集中于喷管出口外沿及箭体底部边缘区域，峰值可达380 kW/m2，所得结论可为发动机热防护设计提供支撑。
郑昊 , 唐勇 , 陈湘男 , 李霁 , 林志强 , 石保禄 . 液体火箭反推进再入过程底部热环境与流动特性[J]. 航空学报, 2026 , 47(8) : 132772 -132772 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2025.32772
Reusable liquid-propellant launch vehicles constitute a pivotal direction for future space transportation systems. During vertical re-entry of a rocket， the aft-mounted engines descend in an irregular configuration facing the freestream. The local thermal environment and flow characteristics are highly complex. A simulation study of the flow over a Falcon 9 v1.2 derived geometry was conducted for four representative re-entry phases： high-altitude powered deceleration， high-altitude aerodynamic deceleration， low-altitude aerodynamic deceleration， and low-altitude powered deceleration. The vehicle thermal environment is markedly transient and non-uniform： plume morphology evolves continuously with altitude and engine operating condition. Powered deceleration phases exhibit substantially stronger flow disturbances and heat-flux maxima than aerodynamic deceleration phases owing to intense plume-freestream coupling. Secondary combustion exerts a global thermal influence on the far-field plume at low altitude. Across the four characteristic stages， the peak heat flux persistently localizes at the nozzle lip and the aft-edge of the rocket base， reaching 380 kW/m2， these data constitute a quantitative basis for engine thermal-protection design.
| [1] | 包为民. 可重复使用运载火箭技术发展综述［J］. 航空学报， 2023， 44（23）： 629555. |
| BAO W M. A review of reusable launch vehicle technology development［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（23）： 629555 （in Chinese）. | |
| [2] | 杨毅强. 可重复使用运载火箭技术研究［J］. 中国航天， 2022（11）： 8. |
| YANG Y Q. Research on technologies for reusable launch vehicles［J］. Aerospace China， 2022（11）： 8 （in Chinese）. | |
| [3] | 胡亚豪， 刘阳旻， 李晶茹， 等. 重复使用发动机再入过程流动和热环境特性仿真研究［C］∥第三届空天动力燃烧与传热会议， 2025. |
| HU Y H， LIU Y M， LI J R，et al. Simulation study on flow and thermal environment characteristics of reusable engines during re-entry［C］∥3rd Aerospace Power Combustion and Heat Transfer Conference， 2025 （in Chinese）. | |
| [4] | 张雪松. “猎鹰” 9再创历史一级火箭海上着陆回收成功［J］. 太空探索， 2016（5）： 26-29. |
| ZHANG X S. Falcon 9 makes history again： First-stage rocket successfully lands and recovers at sea［J］. Space Exploration， 2016（5）： 26-29 （in Chinese）. | |
| [5] | 李斌， 张小平， 高玉闪. 我国可重复使用液体火箭发动机发展的思考［J］. 火箭推进， 2017， 43（1）： 1-7. |
| LI B， ZHANG X P， GAO Y S. Thoughts on the development of reusable liquid rocket engines in China［J］. Journal of Rocket Propulsion， 2017， 43（1）： 1-7 （in Chinese）. | |
| [6] | 高朝辉， 刘宇， 肖肖， 等. 垂直着陆重复使用运载火箭对动力技术的挑战［J］. 火箭推进， 2015， 41（3）： 1-6， 45. |
| GAO Z H， LIU Y， XIAO X， et al. Challenge to propulsion technology for vertical landing reusable launch vehicle［J］. Journal of Rocket Propulsion， 2015， 41（3）： 1-6， 45 （in Chinese）. | |
| [7] | 王振国， 罗世彬， 吴建军. 可重复使用运载器研究进展［M］. 长沙： 国防科技大学出版社， 2004： 1-20. |
| WANG Z G， LUO S B， WU J J. Research progress on reusable launch vehicles［M］. Changsha： National University of Defense Technology Press， 2004：1-20 （in Chinese）. | |
| [8] | HORVATH T J， AUBUCHON V V， RUFER S， et al. Advancing supersonic retro-propulsion technology readiness： Infrared observations of the SpaceX falcon 9 first stage［C］∥AIAA Space and Astronautics Forum and Exposition. Reston： AIAA， 2017. |
| [9] | LAPTOFF M. Wind-flow study of pressure drag reduction at transonic speed by projecting a jet of air from the nose of a prolate spheroid of fineness ratio 6： RM L51E0 ［R］. Washington， D.C.： NACA， 1951. |
| [10] | VENKATACHARI B S， ITO Y， CHENG G， et al. Numerical investigation of the interaction of counterflowing jets and supersonic capsule flows［C］∥42nd AIAA Thermophysics Conference. Reston： AIAA， 2011. |
| [11] | 刘浩， 李钧， 冯刚. 逆向喷流对可回收火箭气动特性的影响研究［J］. 推进技术， 2024， 45（2）： 34-42. |
| LIU H， LI J， FENG G. Effects of opposing jet on aerodynamic characteristics of reusable rocket［J］. Journal of Propulsion Technology， 2024， 45（2）： 34-42 （in Chinese）. | |
| [12] | MALMUTH N， FOMIN V， MASLOV A， et al. Influence of a counterflow plasma jet on supersonic blunt body pressures［C］∥9th International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. Reston： AIAA， 1999. |
| [13] | KUMAR S， MAHULIKAR S P. Reconstruction of aero-thermal heating and thermal protection material response of a Reusable Launch Vehicle using inverse method［J］. Applied Thermal Engineering， 2016， 103： 344-355. |
| [14] | KLEVANSKI J， ECKER T， RIEHMER J， et al. Aerodynamic studies in preparation for callisto-reusable VTVL launcher first stage demonstrator［C］∥69th International Astronautical Congress， 2018. |
| [15] | 贾洪印， 张培红， 赵炜， 等. 火箭子级垂直回收布局气动特性及发动机喷管影响［J］. 航空学报， 2021， 42（2）： 623995. |
| JIA H Y， ZHANG P H， ZHAO W， et al. Aerodynamic characteristics of vertical recovery of rocket sub-stage and influence of engine nozzle［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（2）： 623995 （in Chinese）. | |
| [16] | ZHOU Z T， LIANG X Y， ZHAO C F， et al. Investigations of base thermal environment on four-nozzle liquid launch vehicle at high altitude［J］. Journal of Spacecraft and Rockets， 2020， 57（1）： 49-57. |
| [17] | ZHOU Z T， ZHANG L J， LE G G. Numerical study for the flame deflector design of four-engine liquid rockets［J］. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics， 2020， 14（1）： 726-737. |
| [18] | ZHOU Z T， SUN P J， BAO Y Y. Numerical simulations of thermal environment of the rocket impingement jet with afterburning under different water spray angles［J］. Aerospace Science and Technology， 2022， 121： 107308. |
| [19] | ZHOU Z T， BAO Y Y. Investigating the rocket base flow characteristics and thermal environment of different nozzle configurations considering afterburning［J］. International Journal of Thermal Sciences， 2023， 185： 108073. |
| [20] | 周志坛， 李怡庆， 江平， 等. 二次燃烧对多喷管运载火箭底部热环境影响研究［J］. 航空动力学报， 2024， 39（6）： 20210694. |
| ZHOU Z T， LI Y Q， JIANG P， et al. Study on the effect of afterburning on the base thermal environment of multi-nozzle launch vehicles［J］. Journal of Aerospace Power， 2024， 39（6）： 20210694 （in Chinese）. | |
| [21] | 闫指江， 沈丹， 吴彦森， 等. 多喷管运载火箭底部热环境研究［J］. 导弹与航天运载技术， 2021（1）： 105-109， 114. |
| YAN Z J， SHEN D， WU Y S， et al. Investigation on base thermal environment of multi-nozzle launch vehicles［J］. Missiles and Space Vehicles， 2021（1）： 105-109， 114 （in Chinese）. | |
| [22] | SU Y F， SUN P J， CUI Y W， et al. Re-entry rocket basic flow characteristics and thermal environment of different retro-propulsion modes［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2024， 37（7）： 190-203. |
| [23] | WANG X， XU X， YU J Q， et al. Effect of free-stream Mach number on the base thermal environment of launch vehicle［J］. Journal of Thermal Science， 2024， 33（6）： 2426-2436. |
| [24] | ECKER T， KARL S， DUMONT E， et al. A numerical study on the thermal loads during a supersonic rocket retro-propulsion maneuver［C］∥53rd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. Reston： AIAA， 2017. |
| [25] | ECKER T， KARL S， DUMONT E， et al. Numerical study on the thermal loads during a supersonic rocket retropropulsion maneuver［J］. Journal of Spacecraft and Rockets， 2020， 57（1）： 131-146. |
| [26] | DUMONT E， STAPPERT S， ECKER T， et al. Evaluation of future ariane reusable VTOL booster stages［C］∥68th International Astronautical Congress， 2017. |
| [27] | FINLEY P J. The flow of a jet from a body opposing a supersonic free stream［J］. Journal of Fluid Mechanics， 1966， 26： 337-368. |
| [28] | ORSZAG S A， YAKHOT V， FLANNERY W S， ET AL. Renormalization group modeling and turbulence simulations［J］. Near-wall Turbulent Flows， 1993： 1031. |
| [29] | VARGA T， OLM C， NAGY T， et al. Development of a joint hydrogen and syngas combustion mechanism based on an optimization approach［J］. International Journal of Chemical Kinetics， 2016， 48（8）： 407-422. |
| [30] | TSANG W， HAMPSON R F. Chemical kinetic data base for combustion chemistry. Part Ⅰ. Methane and related compounds［J］. Journal of Physical and Chemical Reference Data， 1986， 15（3）： 1087-1279. |
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