[发明专利]一种空间飞行器带压分离的仿真分析方法

说明书

本发明涉及一种空间飞行器带压分离的仿真分析方法，属于航天器仿真技术领域。本发明将压力舱段分解为内部连续流场和外部稀薄流场分别计算，并建立理论模型给出计算域入口/出口的边界条件，采用CFD方法计算内部区域流场、采用DSMC方法求解外部区域流场，利用流场分析结果最终确定带压分离对两飞行器的干扰力。计算的流场可分为两个部分：压力舱内部流场(连续流)和飞行器外部流场(稀薄流)。压力舱内部连续流场的基本控制方程是Navier‑Stokes方程，采用CFD方法(流场计算方法)进行计算；飞行器外部稀薄流场的基本控制方程是Boltzmann方程，采用DSMC方法(直接蒙特卡洛模拟方法)模拟。

技术领域

本发明涉及一种空间飞行器带压分离的仿真分析方法，属于航天器仿真技术领域。

背景技术

目前对空间飞行器带压分离的干扰分析方法采用理想气体方程描述气体向真空的扩散，进而确定带压分离时产生的反作用力和力矩。该方法操作简单，计算量小，但由于空间飞行器外形结构复杂、带压分离工况多，利用上述方法很难获得准确的仿真结果，只能用于定性分析。

发明内容

1.要解决的技术问题

提出一种更为精确的仿真建模方法，解决原方法模型过于简化、不能提供有效的定量结论、不便于工程应用的不足。

2.采用的技术方案

本发明将压力舱段分解为内部连续流场和外部稀薄流场分别计算，并建立理论模型给出计算域入口/出口的边界条件，采用CFD方法计算内部区域流场、采用DSMC方法求解外部区域流场，利用流场分析结果最终确定带压分离对两飞行器的干扰力。

计算的流场可分为两个部分：压力舱内部流场(连续流)和飞行器外部流场(稀薄流)。压力舱内部连续流场的基本控制方程是Navier-Stokes方程，采用CFD方法(流场计算方法)进行计算；飞行器外部稀薄流场的基本控制方程是Boltzmann方程，采用DSMC方法(直接蒙特卡洛模拟方法)模拟。

内部和外部两个区域均为非定常流动，并且飞行器壁面随时间运动，因此，所要计算的流场区域是随时间改变的。这里采用动网格技术处理边界运动问题。此外，问题分解后要给定两个计算区域的入口/出口边界条件，通过建立简化理论模型给出。

泄压过程中密封圈泄压出口气体速度为音速(马赫数为1)，外部流场不会对内部流场产生影响。因此，采用分区求解的思路分别求解内、外部流场，内部连续流场采用CFD方法，而外部稀薄流场采用DSMC方法进行模拟仿真。建立简化的理论模型给出内、外流场交界面处的出口、入口条件。

两飞行器带压分离时由于舱体外型、突出物的影响，使泄压出口处压力等参数沿周向存在一定的非均匀性，但脉动量与平均值相比小于1％，可采用轴对称外形计算泄压流场。

飞行器内部气体作用于两空间飞行器上的力通过理论模型给出，其中X轴向力等于气体压强乘以飞行器底部面积，Z方向侧向力通过动量定理得到，对接端面通道受力通过理论模型得到。

3.有益效果

可以对空间飞行器带压分离的流程分别和干扰力进行定量分析，为分析泄压干扰力对两飞行器分离刚度和分离姿态角及角速度的影响提供输入。

附图说明

图1是泄压问题简化模型示意图；

图2是网格单元、积分节点位置示意图；

图3是标准DSMC程序流程图；

图4是命中参数和碰撞截面计算示意图；

图5是硬球模型示意图；

图6是加入动网格后的DSMC程序流程图。

具体实施方式