[發明專利]一種真空羽流對任意構型設備的影響確定方法

在審

• 申請號: 202010732677.X
• 申請日: 2020-07-27
• 公開（公告）號: CN112100734A
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 王黎珍;鄭世貴;張旭;周耀華;遲軍;史紀鑫;王東;杜卓林;鄭偉
• 申請（專利權）人: 北京空間飛行器總體設計部
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/23;G06F30/28;G06F119/08
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張曉飛

本發明公開了一種真空羽流對任意構型設備的影響確定方法，該方法將真空羽流場計算與流動對設備表面沖擊計算解耦，首先得到設備壁面附近未受擾動狀態的流場參數；而后通過構造設備表面網格，采用插值方法得到網格中心點流動參數；最后通過修正牛頓理論及選取適用于設備壁面條件的氣體與設備表面作用模型，得到羽流作用在設備壁面網格點上的沖擊壓強、熱流密度和質量流密度分布。該方法解決了復雜構型設備真空推力器羽流分析建模困難，計算耗時多等問題，可快速開展復雜構型設備羽流影響評估，為設備位置調整和熱防護設計提供設計依據。

技術領域

本發明屬于推力器(發動機)真空羽流力、熱和污染效應分析技術領域，提出了真空羽流對任意構型設備的影響確定方法。

背景技術

推力器羽流效應分析是航天器研制的重要環節。姿軌控推力器工作期間，產生的羽流可能撞擊航天器表面、產生擾動力和力矩，影響航天器控制系統的精度和穩定性；可能對設備表面產生較大的熱流，影響設備的工作性能和熱防護系統設計；可能污染敏感器和光學鏡頭，對光學表面，熱控涂層以及太陽能電池陣表面產生有害影響，影響星表的設備布局和防護系統的設計，從而直接影響航天器的工作性能和壽命。

目前真空羽流效應分析主要有直接模擬蒙特卡洛方法(DSMC)和工程算法。DSMC的基本思想是用有限多個仿真分子來代替大量的真實氣體分子，通過隨機抽樣仿真分子并跟蹤仿真分子的運動軌跡來達到求解真實氣體流動問題的目的。DSMC方法必須使用數目足夠多的模擬分子，這樣才能在流場網格中充分地代表真實氣體分子的分布。這個特點決定了DSMC方法的計算精度高，但計算量和內存需求量都很大，計算時間長。在復雜構型、多工況、快需求的工程計算中，DSMC方法的計算效率是制約其工程應用的關鍵因素。

對于推力器真空羽流效應分析，工程算法將推力器羽流流場和羽流沖擊航天器表面的作用計算解耦，分別構建流場網格和設備表面網格，然后利用計算流體力學(CFD)和點源模型得到羽流流場，最后采用羽流沖擊航天器表面特性模型，得到羽流沖擊壓強、熱流和質量流密度。該工程方法的關鍵是將流場三維網格與設備面網格解耦，使得構建復雜構型設備表面網格成為了可能。

目前，在現有的真空羽流工程分析方法中，通過一/二次曲面或其組合來簡化描述航天器本體及表面設備的幾何特征，對描述設備幾何特征的曲面二維方向進行合適的節點布置，完成面網格的劃分。對于航天器表面不能用一/二次曲面或其組合來描述的設備，如肋狀天線等，通過比較接近的一\二次曲面來描述，無法確切的反映設備的幾何特性，從而導致羽流計算結果出現偏差。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：克服現有技術的缺點和局限性，將真空羽流場計算與流動對設備表面沖擊計算解耦,提供了適用于任意構型設備(如肋狀天線)面網格構建方法，解決航天器復雜構型設備羽流效應分析問題。

本發明的技術解決方案是：一種真空羽流對任意構型設備的影響確定方法，步驟如下：

1)利用推力器燃燒室熱力計算模型，根據推力器燃燒室總壓和燃料比例，得到燃燒產物平衡組分及其熱力參數；

2)建立推力器內外區域二維軸對稱流場網格，以燃燒產物平衡，分為流動工質，進行推力器內外流場計算；

3)根據航天器星表設備PROE模型，抽取保留星表設備曲面特征。根據星表設備曲面特征，搭建星表設備三維殼體幾何模型，并對設備面進行網格劃分；

4)遍歷步驟3)求得的網格點數據和步驟2)中求得的內外流場數據，得到網格中心點處流場特征參數；

5)根據修正牛頓理論和Knudsen模型，確定真空羽流對復雜構型設備上的羽流力、熱和污染影響。