[发明专利]一种复杂外形低轨航天器气动特性的快速预测方法

摘要

一种复杂外形低轨航天器气动特性的快速准确预测方法，首先，构建一个足够大的计算域，航天器位于该计算域内部，并在其边界产生一个试验粒子；然后，跟踪和模拟该试验粒子之后的运动轨迹和碰撞过程，直到其飞出计算域或撞到飞行器表面，若试验粒子和表面碰撞，计算其与物体表面的动量、能量交换并继续跟踪该试验粒子；最后，重复上述过程直至试验粒子数足够大，以保证计算结果收敛，统计出飞行器飞行环境下的气动特性规律，进而进行飞行器设计。

主权项

1.一种复杂外形低轨航天器气动特性的快速预测方法，其特征在于包括以下步骤：(1)构建一个圆柱体计算域，航天器位于该计算域内部；(2)根据低轨航天器所处环境的自由来流条件在计算域边界产生单个试验粒子，对其初始位置r和速度c进行随机取样；(3)根据步骤(2)给出的试验粒子初始位置r和速度c，计算该试验粒子的运动轨迹；(4)判断运动轨迹是否与航天器表面发生碰撞：如果没有发生碰撞，则认为该试验粒子直接飞出计算域，转到步骤(2)；如果发生碰撞，计算出碰撞位置并继续执行步骤(5)；(5)按照指定的气体与表面相互作用模型计算试验粒子与航天器表面碰撞后的速度，计算单次碰撞的动量和能量交换，之后根据新的位置和速度计算该试验粒子的运动轨迹，执行步骤(4)；(6)当步骤(2)中产生的试验粒子总数达到预设的数量时，统计空气动力学宏观量，从而得到低轨航天器飞行环境下的气动特性规律；统计空气动力学宏观量，具体如下：设N为所有试验粒子与该表面碰撞的总次数，则作用于航天器表面的气动力F、力矩M和热交换量Q为式中，r_j,ΔP_j,ΔE_j分别为第j次碰撞时力矩参考点到碰撞位置的矢量、动量交换量和能量交换量，气动标准化参数A的表达式为式中，n_∞为来流气体分子数密度，N_tp为试验粒子总数，Q_f、Q_s和Q_b分别为单位时间通过计算域前面、侧面和后面单位面积的气体分子数，其表达式为其中，函数s为来流气体宏观速度与最可几分子热运动速度的比值，c_m最可几分子热运动速度；所述计算单次碰撞的动量和能量交换具体包括以下步骤：(5.1)计算试验粒子碰撞前的动量P_i和总能E_i，具体公式如下式中，c_i为碰撞前试验粒子的速度矢量，γ为来流气体比热比，T_∞为来流温度；(5.2)计算试验粒子碰撞后的动量P_r和总能E_r，具体公式如下式中，c_r为碰撞后试验粒子的速度矢量，T_w为航天器表面温度；(5.3)计算单个试验粒子碰撞过程的动量交换ΔP和能量交换ΔE上述，k＝1.38×10^‑23J·K^‑1为Boltzmann常数，m为来流分子质量。