钝头体进入火星大气非平衡流场光谱辐射特性

作     者：张磊 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘林华

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：非平衡辐射 高温气体 火星大气 流场模拟 光谱辐射特性 

摘      要：高超声速飞行器进入大气时,飞行器前端产生激波层。激波后气体温度和压力急剧上升,形成具有强烈热辐射特性的高温热化学非平衡反应流,导致飞行器表面被烧蚀并影响飞行器的通讯系统。为了得到飞行器表面的热流数据并设计合理的热防护系统,人们必须深入研究飞行器前端激波后热化学非平衡反应流的形成机理及其光谱辐射特性。本文以探路者号进入火星大气时激波后热化学非平衡气体为研究对象,基于Park双温度化学模型,利用CFD-FASTRAN软件进行模拟计算并得到了飞行器前端气体在不同热动力学条件下的流场参数。随后,对非平衡程度比较显著的一点进行光谱辐射特性研究。基于探路者号飞行器进入火星大气时所获得的飞行试验数据,本文利用CFD-FASTRAN软件对探路者号前端的流场进行了数值模拟,模拟中考虑了8组分(飞行高度为41.7km)和14组分(飞行高度依次为40.7km、32.0km、27.7km)混合气体。将模拟得到的滞止线上温度和主要组分(CO,CO,O)质量分数与文献进行比较,两者吻合较好,验证了本文所得流场数据的可靠性。分析14组分(飞行高度40.7km)飞行器前端滞止线上流场数据,可见:激波后气体温度和压力急剧上升,CO分子质量分数从95.6%下降至0.41%,CO分子质量分数从0上升至60.6%,O原子质量分数从0上升至35.8%。随着飞行高度的逐渐下降(40.7km、32.0km、27.7km工况),平动温度峰值依次为9457K、6049K、4847K,振动温度峰值依次为7068K、4948K、4252K,表明激波后气体非平衡程度不断降低。在距离火星地面40.7km高度时,飞行器前端非平衡特征显著。本文选取滞止线上一点(T=9457K,T=2576K),对激波后气体进行了光谱辐射特性研究。通过分析可得:在波长大于0.125μm时,束缚-束缚跃迁机制对谱线影响占优。在波长处于0.083-0.125μm范围时,束缚-自由跃迁机制影响占优。而自由-自由跃迁机制对激波后气体光谱辐射特性影响较小。对于束缚-束缚跃迁,在红外波段,CN分子的Red电子系统和CO分子的红外电子系统对谱线影响占优;在可见光波段,CN分子的Violet电子系统和O分子的Schumann-Runge电子系统对谱线的影响占优;在紫外波段,O分子的Schumann-Runge电子系统、CO分子的第四正系和NO分子的大部分电子系统(γ,β,δ,ε,b’,γ’)对光谱具有较大影响。