[發明專利]一種低艙內壓力下的航天器排氣質量流量確定方法

有效

• 申請號: 201510033695.8
• 申請日: 2015-01-23
• 公開（公告）號: CN104657594B
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發明（設計）人: 陳智;苗文博;張亮;程曉麗
• 申請（專利權）人: 中國航天空氣動力技術研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 中國航天科技專利中心11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明涉及一種低艙內壓力下的航天器排氣質量流量確定方法，屬于航天器空氣動力學技術領域。

背景技術

在非氣密航天飛行器發射過程中隨著高度的升高，艙外壓力不斷減小，為保證艙內、外壓差能夠維持在允許的范圍之內，需要在飛行器表面設計排氣通道將艙內氣體排出，保證飛行器的結構安全。

理論上，排氣過程可使用非定常計算流體力學方法進行精細模擬，但經過對排氣過程特征時間的考察后發現使用計算流體力學方法并不可行。假設排氣通道直徑為10mm，長度為92.5mm，因其中流速可達音速，因此其流動特征時間為1×10^-4s量級。若采用非定常計算流體力學手段模擬其中的流動，所采用的時間步長至少應比特征時間小一個量級，即1×10^-5s。一般航天飛行器主動段長度為100s，按前述時間步長計算，總計算時間步需10⁷步，以每步需1秒計，一個工況的計算時間約為115天，因此采用非定常計算流體力學模擬手段直接模擬整個排氣過程的計算量過大，在當前的計算條件下難以實現。

針對排氣系統的設計問題，國外已發展出多套基于工程方法的計算軟件，并在型號設計中進行了應用。其中較有代表性的是NASA的CHCHVENT和洛克希德·馬丁公司的Hemulv。CHCHVENT由NASA的Fay等人開發，可用于任意布置的艙段與排氣通道構型的分析，其射流系數可設定為常數或由用戶通過數據表輸入。Hemulv由原Martin Marietta公司(后并入洛克希德·馬丁公司)為Titan IV計劃中排氣系統的設計而開發。Hemulv可用于多艙段間的排氣問題，但其射流系數僅可指定為常值，因此設計時需對射流系數進行敏感性分析給出結果誤差范圍。上述計算軟件的基本思想均是以一維等熵流為基礎給出理想狀態下的質量流量，并通過流量系數的方式引入射流等因素引起的流量損失，是一種基于風洞試驗數據的半經驗方法。因作為其理論基礎的一維等熵流理論已忽略了粘性效應，該方法僅適用于粘性效應較小的高艙內壓力下的排氣流量確定。對于低艙內壓力下排氣問題，由于流動的雷諾數較低，粘性效應已可與對流效應相比，傳統計算方法已無法給出準確的排氣質量流量。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供了一種低艙內壓力下的航天器排氣質量流量確定方法。

本發明的技術解決方案為：

一種低艙內壓力下的航天器排氣質量流量確定方法，步驟如下：

(1)將航天器排氣過程分為三個部分：第一個過程為氣體由艙內流向艙壁上排氣通道入口處的一維等熵流動過程；第二個過程為由排氣通道入口處到排氣通道出口處的考慮摩擦的管道流動過程；第三個過程為由排氣通道出口處膨脹至航天器外部空間壓力的一維等熵流動過程；

(2)針對所述第一個過程建立航天器艙內氣體流動模型，具體為：

其中，A為排氣通道的橫截面積，ρ₁、p₁和T₁分別為排氣通道入口處的氣體密度、壓力和溫度，γ為氣體比熱比，R為氣體常數，和分別為航天器艙內的靜止氣體的總壓和總溫，且p₀和T₀分別為艙內氣體的靜壓和靜溫，Ma₁為排氣通道入口處的氣體馬赫數，為排氣通道入口處的氣體質量流量；

(3)針對所述第二個過程建立排氣通道內氣體流動模型，具體為：

其中，Ma₂、p₂、T₂分別為排氣通道出口處的氣體馬赫數、氣體總壓、靜壓、總溫和靜溫，為排氣通道入口處的氣體總壓和總溫，D為排氣通道直徑，L為排氣通道的長度，μ_ref為參考層流粘性系數1.8247×10^-5kg/(m·s)；

(4)針對所述第三個過程建立排氣通道出口處向航天器外部空間膨脹的氣體流動模型，具體為：

其中，Ma₃、p₃、ρ₃、T₃和分別為氣體由排氣通道出口膨脹至航天器外部空間所形成的射流的流動馬赫數、靜壓、密度、溫度和氣體質量流量，p₃與外部空間壓力相等；