[发明专利]一种返回器流场峰值电子密度快速预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种返回器流场峰值电子密度快速预测方法，属于高超声速气动物理技术领域。

背景技术

飞行器以高超声速在大气层内飞行过程中，产生脱体激波，动能转化为内能，由于温度升高，导致空气化学反应或离解、电离及表面材料烧蚀，在飞行器周围形成“等离子体鞘套”，将造成飞行器接收或发射电磁波信号的能力大为减弱，严重时甚至会出现通讯信号中断，从而影响到飞行器的正常飞行和制导系统的正常工作。充分认识飞行器周围的等离子体分布规律，是正确预测通讯信号衰减特性的前提，具有非常重要的现实意义。

当前进行流场电子密度预测的方法主要是借助数值模拟手段进行流场计算完成，需要求解描述返回器再入流动的多组分全N-S方程。该方法可以给出返回器绕流全流场各处电子密度分布，是一种精细刻画的方法。但是现有各种数值模拟方法进行高超声速再入过程的多组分化学反应流场求解需要消耗较大的计算成本和时间成本，往往需要数天时间才能获得一个电子密度流场分布数据。研究分析发现，对于天线信号通讯中断分析，等离子体圆频率是影响信号中断的重要参数，如果能够给出流场峰值圆频率，即使没有全流场沿程数据也可以对通信信号中断进行快速分析和判断。国内外针对等离子体预测主要依靠实验分析和数值预测，还没有一种进行峰值电子密度预测的快速方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提供了一种返回器流场峰值电子密度快速预测方法，解决了返回器通信信号中断快速分析的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种返回器流场峰值电子密度快速预测方法，包括以下步骤：

(1)根据来流条件确定气流总焓h_s，并依据等熵关系式确定激波后气体压力p_s；所述的来流条件包括来流马赫数M_∞、静温T_∞、静压p_∞；

(2)求解驻点位置气体静温T、组分浓度c_j；

(3)由压力p_s、气体静温T、组分浓度c_j，求解得到驻点位置峰值电子密度Ne_s；

(4)求解欧拉方程得到返回器表面压力分布p；

(5)由驻点区域峰值电子密度Ne_s、返回器表面压力p求解得到返回器流场峰值电子密度。

步骤(2)中的气体温度T、组分浓度c_j的确定方式如下：

(2a)给定初始气体静温和组分数密度，求解下述方程得到π_i和Δlnn：

其中，n_j为组分j的数密度，g_j为组分j的自由能，a_kj、a_ij分别为组分j关于元素k和i的相关系数，bk为每千克气体混合物中元素k的千克-摩尔数，为气体组分j在标准温度(T＝298.15K)的焓值，π_i为元素i的数乘因子；l表示元素的总个数；m表示气体组分的总数；n表示气体的数密度总和；R表示气体常数，取8314J/kg-K；

(2b)由步骤(2a)中得到的π_i和Δlnn，求解组分数密度n_j和组分浓度c_j，进而利用组分浓度c_j和气体总焓h_s反求获得当前气体静温T：

其中，m_j为组分j的分子质量；

(2c)利用步骤(2b)求解的当前气体静温和组分数密度以及步骤(2a)中的公式，求解下一刻的π_i和Δlnn，再利用π_i和Δlnn求解下一刻的气体静温和组分数密度，并进行迭代计算；迭代计算满足下面任一条件都将结束：

(2c1)迭代计算出的气体温度和组分数密度相对于上一次迭代求解的值变化小于1％；

(2c2)迭代次数达到限定迭代步数，一般限定迭代步数为20。

步骤(3)中的由压力p_s、气体静温T和组分浓度c_j获得驻点位置峰值电子密度Ne_s的确定方式如下：