[科普中國]-高空羽流

研究歷史

國外對羽流流場的分析與模擬研究開始于20世紀60年代初期，但由于羽流問題的復雜性及當時計算條件的限制，人們只能采用簡單的實驗和半經(jīng)驗的工程算法。比較有影響的有HiilandDraper模型、Simon模型和特性算法等。這三種簡化模型的不足之處是，都沒有考慮熱邊界層效應和邊界層內的聲速部分的影響，計算區(qū)域都在羽流中心線附近的連續(xù)流區(qū)域，不包括回流區(qū)和自由分子區(qū)；特性算法還假設羽流為理想氣體的絕熱、無黏、等熵流動，1963年G.A.Bird在氣體流動與傳熱問題領域提出直接蒙特卡洛模擬(Direct Simulation Monte Carlo.DSMC)，即采用概率論方法判斷分子問是否發(fā)生碰撞，建立了DSMC方法。20世紀80年代，G.A.Bird提出可變硬球以及通過輸運系數(shù)確定分子碰撞截面的現(xiàn)象學方法，改進了由無結構分子組成的氣體流動分子碰撞對抽樣概率函數(shù)，并將DSMC方法引入火箭發(fā)動機羽流計算領域。20世紀90年代以后，隨著計算機和數(shù)值計算技術的發(fā)展，一般采用多方法結合模擬空間發(fā)動機羽流流場．尤其是在分析具有多種流動方式的羽流時，被廣泛采用的是將CFD方法和DSMC方法相結合。近些年，國內外羽流研究重點逐漸轉向真空羽流流場、反流特性以及潛在的污染效應；大氣巾及真空巾羽流一羽流的交會現(xiàn)象；新型發(fā)動機羽流及DSMC法概率模型的完善和建立。對空問發(fā)動機羽流復雜結構、特性和許多物理現(xiàn)象進行了模擬，且編制了一些比較復雜的計算機程序。這些數(shù)學模擬主要是預測各種羽流參數(shù)，如溫度、速度、壓力分布、雷達有效反射面積、傳熱、輻射、凝結、光學表面的沉積、撞擊力或化學成分。分析通常局限于羽流巾各獨立空問區(qū)域(例如核心區(qū)、外層、超聲速/亞聲速區(qū)、連續(xù)流/自由分子流區(qū)、近場/遠場)。且許多對流動的動力學或穩(wěn)定性采用了不同的假設(一般是忽略了湍流效應或邊界層/激波之間的相互作用)。在處理化學反應、固態(tài)物含量、能量釋放、羽流內的組分變化、不同飛行高度、與空氣及飛行器的相互作用或選定的譜段等方面，算法也是各種各樣的。許多算法需要對顆粒尺寸、顆粒數(shù)量、空間和尺寸分布、氣體速度分布、混合層的形狀和邊界或湍流特性等作出假設。數(shù)學模型非常復雜，維數(shù)有一維、二維和三維。為預測不同的量，羽流分析常采用一個以上的模型，許多分析在一定程度上要通過實際羽流測量數(shù)據(jù)的外推來指導求解過程。但需要注意的是，用計算機分析結果來預測許多羽流特性未必總是可靠和有效。然而，模型有助于了解羽流，并能夠在一定范圍內將試驗結果外推到不同的條件?？諉柊l(fā)動機羽流中有些物理現(xiàn)象還未完全認識清楚，且所有模擬實際上都是不同程度的近似，為得到合理的數(shù)學解作了不少簡化假設，故數(shù)學模型的應用場合是有條件的。2

特性羽流的尺寸、形狀和內部結構隨高度而顯著變化。在低高空的羽流中，有一個非擾動非黏性的內核心(尚未與空氣混合的排氣)和混合區(qū)?；旌蠀^(qū)是圍繞核心區(qū)的湍流層，其厚度隨離噴管的距離以及高度而增加。在混合區(qū)中，來自外界空氣的氧會與排氣中的富燃組分發(fā)生二次燃燒或補燃。高空羽流場的復雜性還表現(xiàn)在羽流中的燃氣組分的構成多樣且不可忽略。在排氣中不完全氧化的燃料組分如H2、CO2、NO或CH2與大氣中的氧發(fā)生化學反應，大部分燃燒成H2O、CO2或NO2，這種二次燃燒產生的熱量提高了該補燃層的溫度和比容。在羽流巾場，激波強度減弱，較多的質量流量與外界空氣混合，輻射來自于羽流各處。在羽流遠場，排氣與外界空氣沿整個羽流截面充分混合，其當?shù)貕毫旧蠟橥饨缈諝獾膲毫?。超聲速排氣從噴管噴出，將?jīng)歷普朗特-邁耶型膨脹波，這些膨脹波附著在噴管唇部，這些膨脹使緊接噴管出口的外側流線彎曲，并增加了羽流外層氣體的馬赫數(shù)。低空、中高空情況下，噴管出口羽流巾存在正激波，即形成馬赫盤。

對于高高空羽流，由于火箭發(fā)動機噴管出口壓強與外界當?shù)貕毫χ确浅４?，羽流形狀變化很大，直徑不斷增大，形成一個開花結構。噴管出口羽流中不出現(xiàn)正激波，即不會形成馬赫盤。附著在噴管唇部的普朗特-邁耶型膨脹波能使超聲速羽流某些部分的彎曲與噴管軸線的夾角超過90°，還有可能出現(xiàn)高欠膨脹引起的炮口效應那樣的燃氣噴出。普朗特-邁耶型膨脹波引起超聲速羽流某些部分的彎曲與噴管軸線的夾角理論極限值對k=1.4的空氣為129°，對k=1.3的氣體(接近火箭發(fā)動機排氣南值)約為160°。估計羽流對航天器部件的熱效應、撞擊效應以及可能的污染效應時，需對這種倒流現(xiàn)象進行分析。1

羽流效應出現(xiàn)羽流后引起的一些效應，稱為羽流效應。主要有：

(1)引起外流離體。這是超聲速氣流由于羽流影響，發(fā)生向內轉折造成的。其結果出現(xiàn)渦流區(qū)，引起飛行器阻力增加。

(2)產生附體斜激波，形成附加波阻。這是外流向轉折引起的。

(3)增加了飛行器的熱影響。航天器在軌飛行時，姿控發(fā)動機點火后形成的羽流回流和熱輻射等將對位于流場內的航天器表面及太陽能帆板產生撞擊，引起力和熱載的效應。這些效應將引起在軌航天器的無控移動，使部組件受熱導致失去功能。

(4)電磁效應。羽流中存在各種帶電微粒，且面積很大，在飛行器后面形成一定強度的電磁場。這個電磁場對飛行器的無線電通訊聯(lián)系有一定的影響。

(5)增大了目標面積。羽流面積大，且有一定的亮度。當武器在飛行時，更容易被敵方發(fā)現(xiàn)，遭到敵方的攔截。

(6)污染影響。由于羽流形成的燃氣回流將有害有污染的燃氣帶給航天器，使航天器部組件受到污染。航天器往往對表面的污染物濃度有著一定的要求，微量的污染物在功能表面上沉積可能會引起航天器功能的退化和失效。1

影響因素航天器發(fā)射時，羽流環(huán)境主要受到以下兩部分影響：一部分是星箭分離后，為減少空間碎片的產生或是末級離軌需要，需在軌排放火箭末級貯箱內的剩余推進劑，排放出的推進劑進入太空后，在高真空環(huán)境下立即失穩(wěn)破碎為大量液滴，很快在箭體周圍形成由液滴和蒸氣組成的氣液羽流場。另一部分是運載火箭上的反推火箭發(fā)動機工作時也會產生含有少量固體顆粒的噴射羽流。此外，因發(fā)射任務需求有的火箭還帶有上面級，而上面級在和衛(wèi)星分離后其減速或離軌時的姿控發(fā)動機噴流也會對衛(wèi)星產生污染作用。國外研究指出，羽流場中包含的一些燃燒產物會對航天器形成污染，其主要是羽流中的燃燒產物碰撞航天器后形成凝結或附著，污染沉積物使太陽電池矩陣功率降低．使衛(wèi)星光學系統(tǒng)圖像失真變形，使熱控涂層表面反射率和發(fā)射率降低等。目前．美國航天局和歐洲航天局規(guī)定：光學衛(wèi)星表面通?？稍试S的最大污染量為2×10-7g/cm2。1

意義隨著空間技術的發(fā)展和相關研究的深入，人們要求航天器具有更高的精度、更長的壽命、更小的設計裕度，以適應空間探測巾日趨激烈的競爭。另外，羽流主動污染和防護措施在國防上有著深遠和現(xiàn)實的意義，從這點出發(fā)，羽流問題的研究尤為迫切。這就要求對羽流的理解進一步深入，分析模型、數(shù)值模擬和實驗方案更加可靠和精確。這使得對羽流的準確分析成為高質量飛行器及其負載設計的重要一環(huán)。羽流的研究是上個世紀沒有揭開的謎，特別是羽流的污染問題，目前國際上還沒定論。羽流問題的研究，是一個艱難的探索，也是一個航天大國不可回避的領域。1