[發明專利]超低軌飛行器氣動力快速計算方法

在審

• 申請號: 202110516643.1
• 申請日: 2021-05-12
• 公開（公告）號: CN113190920A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 陳方;郭晨林
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種超低軌飛行器氣動力快速計算方法，包括下列步驟：1)根據飛行器的初始外形，建立表面網格單元；2)使用迎風單元求解方法對表面網格單元進行分類，分類為迎風單元及背風單元；3)根據飛行高度所在的氣體區域特性及單元種類的不同，使用不同的工程算法進行氣動力計算；4)使用表面積分方法對所有的單元氣動力進行積分，得到飛行器所受氣動力合力。本發明方法具有計算時間短、效率高的特點，能用于超低軌飛行器的總體設計過程及控制率設計。

技術領域

本發明涉及超低軌飛行器，特別是一種超低軌飛行器氣動力快速計算方法。

背景技術

在太空技術的不斷發展下，低層太空在通信，對地成像，旅游領域潛力巨大，有重要的商業價值，成為各個國家或組織競爭太空資源，發展太空經濟的新風向標。與傳統的太空飛行器不同，超低軌飛行器受到的氣動攝動大，造成軌道維持與姿態控制的困難。同時，由于其運行高度在120km-300km之間，屬于過渡流區與自由分子流區，對于氣動力的估算缺少經驗、理論與工具，造成總體設計與動力選型上的困難。因此，深入研究超低軌飛行器的氣動力快速計算方法具有重要價值。

對于超低軌飛行器的氣動力的計算，目前的研究常采取的是以波爾茲曼方程導出的直接模擬蒙特卡洛法(DSMC)及試驗粒子蒙特卡洛法(TPMC)，其通過模擬氣體分子與超低軌飛行器表面發生碰撞，分子與超低軌飛行器表面發生能量與動量的交換情況，進而較為精確的計算出超低軌飛行器的氣動力大小。這種方法的特點是計算精度高，然而對硬件要求高，計算效率較低。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種超低軌飛行器快速氣動力計算方法，該方法具有計算時間短、效率高的特點，能用于超低軌飛行器的總體設計過程及控制率設計。

本發明的解決方案如下：

一種超低軌飛行器氣動力快速計算方法，其特點在于步驟如下：

1)根據飛行器的初始外形，建立超低軌飛行器的三維模型，并將表面網格離散為三角形單元建立表面網格單元；

2)使用投影法對表面單元進行篩選，分類為迎風單元及背風單元；所述的迎風單元指的是在來流矢量的方向上，沒有被其他單元遮擋的三角單元；除了迎風單元之外的三角單元為所述的背風單元；

3)首先判斷飛行器所處的區域流動特性，使用不同的工程算法進行氣動力計算：

對于連續流區迎風單元的氣動力采用修正牛頓法計算：

C_P＝C_Pmax sin²δ

其中，γ為絕熱氣體指數，在量熱完全氣體的假設下γ為1.4，Ma為飛行器當前的飛行馬赫數，C_p為求解壓力系數，δ為來流與單元之間的夾角；

對于連續流區背風單元采用普朗特膨脹波理論進行計算：

C_P＝C_Pmax sin²δ

對于自由分子流區單元采用沒有催化或化學反應的改進Maxwell碰撞模型進行計算：

其中，c_pi，c_τi分別為表面法向壓力系數和切向壓力系數，s為分子來流的速度比，Г_i為有關的誤差函數；

對于過渡流區，采用橋函數加權法進行計算，使用橋函數對連續流區與自由流區的結果進行加權，加權方式為：