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上层大气层飞行器研究进展及气动技术挑战

航空学报 2024年

作者：靳旭红黄飞张俊王学德程晓丽沈清中国航天科技集团有限公司航天飞行器气动热防护实验室清华大学航天航空学院中国航天空气动力技术研究院南京理工大学能源与动力工程学院北京航空航天大学航空科学与工程学院

上层大气层飞行器的研究，不但能够促进上层大气层空气动力学这一新兴学科的发展，还能实现100～200 km上层大气层空域的开发利用，推动地球观测、通信等关系民生和国防的重大科技进步，填补此空域长期机动飞行的飞行器空白。本文分析... 详细信息

上层大气层飞行器的研究，不但能够促进上层大气层空气动力学这一新兴学科的发展，还能实现100～200 km上层大气层空域的开发利用，推动地球观测、通信等关系民生和国防的重大科技进步，填补此空域长期机动飞行的飞行器空白。本文分析了上层大气层飞行器相关的研究态势，概述和总结了现有的研究进展，指出了气动设计和推进系统方面需要突破的上层大气与飞行器表面相互作用准确建模技术、吸气式电推进系统气体收集压缩器高性能进气道通用化设计技术、吸气式电推进系统电离加速推进器的高效率电离和加速技术等关键技术挑战，提出了潜在的解决方案，以便给相关领域的科技工作者提供参考，进而对其开展原创研究和集智攻关。

关键词：上层大气层气固相互作用吸气式电推进超低轨卫星大气密度模型

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吸气式电推进系统进气道气体流动数值分析

中国科学：物理学、力学、天文学 2024年第3期54卷 146-157页

作者：靳旭红程晓丽沈清艾邦成中国航天空气动力技术研究院北京100074 清华大学航天航空学院北京100084 中国航天科技集团有限公司航天飞行器热防护实验室北京100074

针对上层大气层吸气式电推进系统进气道的宽范围设计难题,采用直接模拟Monte Carlo(Direct Simulation Monte Carlo,DSMC)方法对进气道内部流动问题进行了系统的数值模拟,探索气体压力和质量通量的分布特征,考虑飞行高度的影响规律和作... 详细信息

针对上层大气层吸气式电推进系统进气道的宽范围设计难题,采用直接模拟Monte Carlo(Direct Simulation Monte Carlo,DSMC)方法对进气道内部流动问题进行了系统的数值模拟,探索气体压力和质量通量的分布特征,考虑飞行高度的影响规律和作用机理,评估自由分子流假设的有效性.结果表明,随着飞行高度的升高,进气道内部的无量纲压力逐渐降低,表明进气道的压缩性能减弱.因此,当吸气式电推进系统运行在上层大气层的较高区域时,应特别留意进气道的压缩性能.此外,随着飞行高度的升高,气体分子之间碰撞的减弱导致无量纲质量通量在压缩段中心区域减小,在电离加速段中部增大.对于120 km左右的高度,进气道流动中气体分子之间的碰撞仍然具有举足轻重的作用,自由分子流假设给出的气体压力和质量通量与标准DSMC结果存在明显的差异.对于180 km及以上的高度,进气道流动可以认为是自由分子流,即气体分子之间的碰撞可以忽略,自由分子流假设给出的气体压力和质量通量与标准DSMC结果一致,此时采用自由分子流假设是合理的.

关键词：上层大气层吸气式电推进进气道自由分子流 DSMC

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气固相互作用对吸气式电推进系统进气道性能的影响

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清华大学学报(自然科学版) 2024年

作者：周靖云靳旭红程晓丽艾邦成中国航天空气动力技术研究院清华大学航天航空学院

针对上层大气层吸气式电推进系统进气道设计问题,采用直接模拟Monte Carlo (DSMC)方法对吸气式电推进系统的进气道内流问题进行系统的数值模拟,考虑气固相互作用(GSI)模型对进气道内流特征、进气道收集和压缩性能的影响,并从气体动理论... 详细信息

针对上层大气层吸气式电推进系统进气道设计问题,采用直接模拟Monte Carlo (DSMC)方法对吸气式电推进系统的进气道内流问题进行系统的数值模拟,考虑气固相互作用(GSI)模型对进气道内流特征、进气道收集和压缩性能的影响,并从气体动理论的角度阐明了其作用机理。结果表明:GSI模型对进气道的压缩和收集性能具有巨大的影响,适应系数的降低即GSI中镜面反射比例的升高,能显著提高压缩因子和收集效率,适应系数从1.0降低到0.2使得压缩因子增大7倍多,收集效率增大将近4倍。适应系数的降低能有效增大进气道压缩因子和收集效率的机制是气体分子在内凹型压缩段壁面发生镜面反射之后汇聚通过焦点,进入电离加速段。上层大气层吸气式电推进系统的进气道应该采取几何外形/表面材料相互耦合的设计思路:既采用内凹型压缩段的进气道,更需要通过材料选取或表面加工降低GSI适应系数,使得GSI尽量接近镜面反射。

关键词：上层大气层稀薄气体流动低密度气体流动进气道直接模拟Monte Carlo (DSMC)方法

吸气式电推进系统进气道性能数值研究与可行性分析

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航空学报 2024年

作者：苏鹏辉靳旭红姚雨竹程晓丽中国航天空气动力技术研究院中国航天科技集团有限公司航天飞行器气动热防护实验室清华大学航天航空学院

针对上层大气层吸气式电推进系统进气道的宽范围设计难题，采用直接模拟Monte Carlo方法对进气道内部流动问题进行了系统的数值模拟，考虑进气道几何外形和气固相互作用(gas-surface interaction, GSI)的影响，从气体动理论的角度阐明... 详细信息

针对上层大气层吸气式电推进系统进气道的宽范围设计难题，采用直接模拟Monte Carlo方法对进气道内部流动问题进行了系统的数值模拟，考虑进气道几何外形和气固相互作用(gas-surface interaction, GSI)的影响，从气体动理论的角度阐明了其作用机理，并开展了进气道的性能评估和可行性分析。结果表明，对于GSI为完全漫反射的情形，内凹型进气道的汇聚作用导致其气体压力和质量通量最大，且高压区域最靠近电离加速段；内凸型的发散作用导致其气体压力和质量通量最小，且高压区远离电离加速段。对于GSI适应系数σ为0.5的情形，由于气体分子在内凹型压缩段类抛物面发生镜面反射后的汇聚作用，压缩比和质量通量在电离加速段的类焦点位置存在局部峰值。GSI适应系数的降低能明显提高进气道的压缩性能和收集性能，σ从1降低到0.5导致电离加速段的压缩比升高85%～125%，收集效率增大55%～77%。无论GSI为完全漫反射还是部分漫反射部分镜面反射，内凹型进气道的压缩性能和收集性能最好，在电离效率和排气速度的合理假设下，对于180 km的飞行高度，适应系数σ=0.5的内凹型进气道产生的推力大于阻力，因此在概念上是可行的。

关键词：上层大气层吸气式电推进进气道设计气固相互作用气体压缩和收集