临近空间高超声速飞行器等离子鞘套模拟及调控研究进展
发布时间：2021-11-22 23:18
临近空间高超声速飞行器再入时等离子体流场导致的通信黑障问题,是困扰航天领域的世界难题之一,也是制约发展临近空间高超声速飞行器的瓶颈。为解决黑障问题,国内外学者对等离子鞘套开展了许多研究。本文介绍了通信黑障的各类调控方法,并从实验和理论研究2个方面阐述目前国内外的相关研究进展及存在的问题,着重讨论了高超声速飞行器等离子流场的特点及模拟计算中涉及的难点,对等离子鞘套模拟计算的发展趋势、需要关注的问题及研究意义进行了总结和评述。
【文章来源】：现代应用物理. 2020,11(04)
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
临近空间高超声速飞行器周围的等离子鞘套及其造成的RAM-C再入航天器通信中断[3]
国内外很多学者利用多流体模型研究高超声速等离子体的电磁-流场耦合问题。南京航空航天大学伍贻兆研究组采用MHD方法基于非结构网格的有限体积数值计算方法,研究了考虑磁场干扰效应和化学非平衡效应的高超声速复杂流动问题[86]。国防科技大学李桦课题组基于磁流体力学模型,采用3维自适应叉树网格方法,提升了计算效率,实现了对激波流场结构的细致捕捉[87]。Kim等利用双流体模型模拟了外加正交电磁场下的等离子体特征参数[88]。Bityurin等利用MHD方法研究了电磁力对激波的控制作用,从而利用外加电磁场对高超声速飞行器进行飞行控制[89]。然而,Kim的理论模型中未考虑电子碰撞因素,不能分析仅加电场的减缓效果。研究表明,电子碰撞是影响电磁波在等离子体鞘中传播的关键[90-91],且电子碰撞频率由所在高度的中性粒子密度及等离子鞘层温度所决定[92-95]。西安电子科技大学郑晓静研究组采用双流体模型在考虑电子碰撞的基础上,研究了同时施加电磁场下的等离子鞘套特征及对通信黑障的缓解程度,结果如图2和图3所示[96]。图3 消除C与GPS频段黑障的可行域范围[96]
图2 施加电磁场前后的等效电子密度及电磁波信号衰减随高度的变化曲线[96]美国Tech-X公司开发了USim专业电磁流体仿真商业软件,可求解含化学反应的等离子体流体。该公司与乔治华盛顿大学合作研究了RAM-C飞行器的流场、通信及磁场减缓的效果[97-98]。Usim是基于通用流体等离子体模型的一款数值模拟软件,可用于仿真高能量密度等离子体、高超声速磁流体、天体物理及热等离子体。由于Usim软件采用MHD和双流体模型,基于对Euler方程的求解,所以Maxwell方程组需要改写为守恒律的形式方可计算。
【参考文献】：
期刊论文
[1]近空间高超声速飞行器气动特性研究的若干关键问题[J]. 叶友达,张涵信,蒋勤学,张现峰. 力学学报. 2018(06)
[2]含电离化学反应DSMC模拟的稀有组分权重因子方法[J]. 方明,杜波强,李中华,李丹杨. 空气动力学学报. 2018(05)
[3]再入等离子体流动及其电磁波传输效应研究[J]. 高铁锁,董维中,江涛,丁明松,刘庆宗. 宇航学报. 2017(08)
[4]Influences of Turbulent Reentry Plasma Sheath on Wave Scattering and Propagation[J]. 刘智惟,包为民,李小平,石磊,刘东林. Plasma Science and Technology. 2016(06)
[5]碳基材料烧蚀下的热化学非平衡流场数值模拟研究[J]. 邵纯,王璐,陈伟芳. 工程力学. 2016(02)
[6]飞行器临近空间通信信号传输特性研究[J]. 凌云飞,陈长兴,蒋金. 计算机仿真. 2016(02)
[7]大尺寸结构部件电弧风洞烧蚀试验技术[J]. 欧东斌,陈连忠,董永晖,彭锦龙,陈峰. 空气动力学学报. 2015(05)
[8]高超声速飞行器等离子鞘套相关问题研究与展望[J]. 赵良,刘秀祥,苏汉生. 遥测遥控. 2015(05)
[9]跨流域高超声速绕流Boltzmann模型方程并行算法[J]. 李志辉,吴俊林,蒋新宇,马强. 航空学报. 2015(01)
[10]激波管等离子体中太赫兹波传输特性仿真与实验研究[J]. 马平,秦龙,石安华,赵青,陈伟军,黄洁. 红外与毫米波学报. 2014(04)
博士论文
[1]高超声速流场磁场干扰效应数值模拟方法研究[D]. 潘勇.南京航空航天大学 2007
硕士论文
[1]高超声速流场与黑障减缓的仿真研究[D]. 雷明达.电子科技大学 2016
[2]黑障中等离子体流场及电磁波传输特性研究[D]. 陈禹旭.电子科技大学 2015
[3]高超声速飞行器滑移区气动热数值模拟研究[D]. 李伟.国防科学技术大学 2010
本文编号：3512639
【文章来源】：现代应用物理. 2020,11(04)
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
临近空间高超声速飞行器周围的等离子鞘套及其造成的RAM-C再入航天器通信中断[3]
国内外很多学者利用多流体模型研究高超声速等离子体的电磁-流场耦合问题。南京航空航天大学伍贻兆研究组采用MHD方法基于非结构网格的有限体积数值计算方法,研究了考虑磁场干扰效应和化学非平衡效应的高超声速复杂流动问题[86]。国防科技大学李桦课题组基于磁流体力学模型,采用3维自适应叉树网格方法,提升了计算效率,实现了对激波流场结构的细致捕捉[87]。Kim等利用双流体模型模拟了外加正交电磁场下的等离子体特征参数[88]。Bityurin等利用MHD方法研究了电磁力对激波的控制作用,从而利用外加电磁场对高超声速飞行器进行飞行控制[89]。然而,Kim的理论模型中未考虑电子碰撞因素,不能分析仅加电场的减缓效果。研究表明,电子碰撞是影响电磁波在等离子体鞘中传播的关键[90-91],且电子碰撞频率由所在高度的中性粒子密度及等离子鞘层温度所决定[92-95]。西安电子科技大学郑晓静研究组采用双流体模型在考虑电子碰撞的基础上,研究了同时施加电磁场下的等离子鞘套特征及对通信黑障的缓解程度,结果如图2和图3所示[96]。图3 消除C与GPS频段黑障的可行域范围[96]
图2 施加电磁场前后的等效电子密度及电磁波信号衰减随高度的变化曲线[96]美国Tech-X公司开发了USim专业电磁流体仿真商业软件,可求解含化学反应的等离子体流体。该公司与乔治华盛顿大学合作研究了RAM-C飞行器的流场、通信及磁场减缓的效果[97-98]。Usim是基于通用流体等离子体模型的一款数值模拟软件,可用于仿真高能量密度等离子体、高超声速磁流体、天体物理及热等离子体。由于Usim软件采用MHD和双流体模型,基于对Euler方程的求解,所以Maxwell方程组需要改写为守恒律的形式方可计算。
【参考文献】：
期刊论文
[1]近空间高超声速飞行器气动特性研究的若干关键问题[J]. 叶友达,张涵信,蒋勤学,张现峰. 力学学报. 2018(06)
[2]含电离化学反应DSMC模拟的稀有组分权重因子方法[J]. 方明,杜波强,李中华,李丹杨. 空气动力学学报. 2018(05)
[3]再入等离子体流动及其电磁波传输效应研究[J]. 高铁锁,董维中,江涛,丁明松,刘庆宗. 宇航学报. 2017(08)
[4]Influences of Turbulent Reentry Plasma Sheath on Wave Scattering and Propagation[J]. 刘智惟,包为民,李小平,石磊,刘东林. Plasma Science and Technology. 2016(06)
[5]碳基材料烧蚀下的热化学非平衡流场数值模拟研究[J]. 邵纯,王璐,陈伟芳. 工程力学. 2016(02)
[6]飞行器临近空间通信信号传输特性研究[J]. 凌云飞,陈长兴,蒋金. 计算机仿真. 2016(02)
[7]大尺寸结构部件电弧风洞烧蚀试验技术[J]. 欧东斌,陈连忠,董永晖,彭锦龙,陈峰. 空气动力学学报. 2015(05)
[8]高超声速飞行器等离子鞘套相关问题研究与展望[J]. 赵良,刘秀祥,苏汉生. 遥测遥控. 2015(05)
[9]跨流域高超声速绕流Boltzmann模型方程并行算法[J]. 李志辉,吴俊林,蒋新宇,马强. 航空学报. 2015(01)
[10]激波管等离子体中太赫兹波传输特性仿真与实验研究[J]. 马平,秦龙,石安华,赵青,陈伟军,黄洁. 红外与毫米波学报. 2014(04)
博士论文
[1]高超声速流场磁场干扰效应数值模拟方法研究[D]. 潘勇.南京航空航天大学 2007
硕士论文
[1]高超声速流场与黑障减缓的仿真研究[D]. 雷明达.电子科技大学 2016
[2]黑障中等离子体流场及电磁波传输特性研究[D]. 陈禹旭.电子科技大学 2015
[3]高超声速飞行器滑移区气动热数值模拟研究[D]. 李伟.国防科学技术大学 2010
本文编号：3512639
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