高超聲速航天器稀薄大氣電力制動(dòng)的數(shù)值模擬研究.pdf

1、在高超聲速飛行器（一般馬赫數(shù)大于12）再入地球上層大氣時(shí)，由于前端弓形激波域溫度非常高（大于20000K），稀薄氣體中的主要成分N2和少量O2已基本分解為N和O，且大量原子的電子能態(tài)被激發(fā)。此時(shí)，原子間極易發(fā)生合并式電離，生成陽離子和電子；同時(shí)，生成的電子與其他原子碰撞，進(jìn)一步引起其他粒子的激發(fā)、電離。
　　基于上述現(xiàn)象，若在飛行器前端內(nèi)置電磁線圈，那么帶電粒子在電磁線圈磁場的影響下做拉莫爾回旋運(yùn)動(dòng)，并形成多個(gè)環(huán)形感應(yīng)電流。感應(yīng)電

2、流又在磁場的作用下受洛倫茲力，根據(jù)理論分析可知，所受洛倫茲力存在一個(gè)與來流速度方向相反的分量，使得激波后區(qū)域的流動(dòng)減速。同時(shí)，因?yàn)榇┰郊げǖ馁|(zhì)量流率不變，激波間距會(huì)增大。飛行器再入地球上層大氣時(shí)，可借此方法進(jìn)行滑移制動(dòng)。
　　目前，直接模擬蒙特卡洛(Direct Simulation Monte Carlo, DSMC)方法是研究稀薄氣體流場的有效工具，雖已廣泛應(yīng)用于模擬稀薄高超聲速流動(dòng)、氣體微流動(dòng)等領(lǐng)域，但應(yīng)用 DSMC方法模擬

3、弱電離氣體稀薄仍具有非常大的挑戰(zhàn)性。一方面，電子特性不同于中性或帶電的重粒子，電子質(zhì)量要比它們輕大約5個(gè)數(shù)量級，速度高大約2個(gè)數(shù)量級，采樣時(shí)間步長約小2個(gè)數(shù)量級；一方面，由于帶電粒子處于彼此的電勢場中，受電勢作用，超出了 DSMC方法中現(xiàn)有的分子勢能模型。這些都是 DSMC方法模擬電離流的主要困難所在。
　　根據(jù)Bird建議，當(dāng)流動(dòng)的特征尺度比德拜長度大很多時(shí)，可采用電中性假設(shè)，即將每次電離過程生成的陽離子和電子“捆綁”成一個(gè)較小