[发明专利]一种火星大气真实气体环境气动特性预测方法

说明书

本发明公开了一种火星大气真实气体环境气动特性预测方法，该方法采用化学非平衡模型计算得到火星探测器高超声速零攻角下的流场，从流场中提取出正激波位置处的温度及各气体组分的质量百分比，然后通过热力学关系式和质量百分比加权平均得到混合气体的等效比热比γ_eff值；将该等效比热比值γ_eff作为已知参数输入完全气体模型，采用CFD数值模拟方法模拟火星探测器在火星真实气体环境下的气动特性。该方法的准确性和可靠性通过美国的凤凰号火星探测器典型算例进行了验证，可准确高效地进行火星大气真实气体效应作用下的气动力性能快速预测。

技术领域

本发明涉及一种火星大气真实气体环境气动特性预测方法，可准确高效地进行火星大气真实气体效应作用下的气动力性能快速预测。

背景技术

火星探测器以超高速飞行进入火星大气层，进入阶段的气动力精确预测是探测器气动布局设计的前提。火星探测器高超声速流动的主要特点是：以CO₂气体为主要介质，呈现低雷诺数、高马赫数的特点，且流动常伴有真实气体效应。只有充分理解火星大气环境下的高超声速流动的特殊性，建立与之相适用的气动力预测方法，才能有效精确地预测火星探测器的气动力特性，进而确保火星探测着陆器的气动布局设计可靠。

化学非平衡模型能够较好地模拟火星大气环境中的真实气体效应，但计算效率相对较低，所耗费的计算资源和计算时间较高。与化学非平衡模型相比，选择合适的比热比来等效伴有真实气体效应的非空气介质高超声速流动，也即等效比热比模型，可以作为火星探测器进入阶段气动力特性预测的一种简单有效的研究手段。等效比热比模型是对真实气体效应的近似，在满足工程设计精度要求的前提下，通过选取适当与准确的等效比热比γ_eff值，相较于采用化学非平衡气体模型的数值预测方法，能够非常有效地节省计算时间和成本。

现有的等效比热比模型对于比热比值的选取，通常采用以下几种方法：(1)根据平衡流动和等效流动激波层内温度相匹配，将波后温度对应的比热比作为等效比热比；(2)根据平衡流动和等效流动激波前后密度比相匹配，通过正激波关系式得到等效比热比：(3)根据平衡流动和等效流动激波脱体距离相匹配而得到等效比热比。以上这些方法所得到的比热比等效值并不相同，且不能完全模拟出火星探测器在火星大气环境中的真实气体效应，所计算出的火星探测器气动力与化学非平衡模型的计算结果之间存在一定差异。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种既能保证计算精度，同时又能提高效率的火星大气真实气体环境气动特性预测方法。

本发明的技术方案是：一种火星大气真实气体环境气动特性预测方法，该方法包括以下步骤：

(1)、基于火星大气的化学非平衡模型，通过CFD数值模拟方法计算预设的高超声速、零攻角、零侧滑角状态下的火星探测器绕流流场参数，所述绕流流场参数包括绕流流场中各气体组分的质量百分比、流场压力P、流场温度和流场密度；

(2)、根据步骤(1)所获得的预设的高超声速、零攻角、零侧滑角状态下的火星探测器绕流流场参数，找出火星探测器对称轴上气体温度或当地流场密度与来流密度比ρ/ρ_∞出现阶跃变化的位置，即绕流流场中正激波与探测器对称轴的交点；

(3)、从绕流流场参数中提取正激波与探测器对称轴的交点处的气体温度T、各气体组分的质量百分比Q_i，i＝1～N，并计算各气体组分的定压比容C_pi(T)，i＝1～N，N为火星气体组分数；

(4)、通过各气体组分的质量百分比加权得到正激波与探测器对称轴交点处混合气体的定压比容C_p(T)：