基于DSMC方法的超低轨道卫星阻力特性分析.pdf
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1、第 卷第 期 年 月东 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.基于 方法的超低轨道卫星阻力特性分析杭晓晨 李彦斌孔祥宏陈 强费庆国(南京林业大学机电工程学院 南京)(东南大学空天机械动力学研究所 南京)(上海卫星工程研究所 上海)摘要:为向工程中卫星结构设计提供载荷依据基于直接模拟蒙特卡洛仿真方法采用 漫反射和镜面反射联合模型对一典型超低轨道卫星的阻力特性进行研究.分析了结构网格密度、卫星头锥、星体长细比等参数对阻力特性的影响并通过算例与文献结果对比以验证方法的准确性.结果表明卫星阻力主要由迎风面投影面的压差阻力和卫星侧面的切向摩擦阻力组成.针对 典型超低轨道卫星模型相同迎风面
2、投影面积下较尖的头锥结构能略微降低平飞阻力.卫星星体的长细比每增加 阻力提升约.全动尾翼通过改变攻角可以获得升力升阻比为.关键词:卫星超低轨道直接模拟蒙特卡洛方法阻力特性中图分类号:文献标志码:文章编号:()()()():().:()收稿日期:.作者简介:杭晓晨()男博士讲师.基金项目:国家自然科学基金资助项目()、江苏省自然科学基金资助项目()、江苏省博士后科研资助计划资助项目()、中国航天科技集团公司第八研究院产学研合作基金资助项目().引用本文:杭晓晨李彦斌孔祥宏等.基于 方法的超低轨道卫星阻力特性分析.东南大学学报(自然科学版)():.:./.超低轨道卫星运行于 高度地球轨道.相比于传
3、统低轨道超低轨道卫星侦查地面的光学成像分辨率成倍提高雷达功耗降低使得卫星小型化成为可能从而大大降低了卫星的研制成本.超低轨道卫星在空间信息对抗方面具有优势美国、欧洲、日本等国家相继对此类卫星投入了:/.大量研究.卫星在超低轨道上处于稀薄气体大气环境气动阻力不可忽略经常需要离子发动机进行速度补偿以保证卫星的轨道机动和姿态控制.因此研究超低轨道卫星气动阻力特性和精确预测方法对该类卫星的合理结构设计具有重要意义.轨道高度属于稀薄气体环境气体分子间距大克努森数高不满足传统航空领域的气体连续性假设基于纳维 斯托克斯方程的连续流体分析方法不再适用.目前预测计算卫星阻力的方法主要有工程近似算法和数值仿真方法
4、.等提出了低轨道卫星阻力计算的近似表达式认为阻力与大气密度、迎风面投影面积以及来流速度平方呈正比关系.该表达式能够在卫星结构设计初期阶段提供快速的阻力近似预测.数值仿真方法包括面元积分法、格子玻尔兹曼法、直接模拟 蒙 特 卡 洛()方法、试验粒子蒙特卡洛法等.其中 方法是一种基于分子动力学的改进数值算法利用概率统计判断分子间是否发生碰撞相比于传统分子动力学仿真可以极大降低计算资源消耗.等采用 方法研究了稀薄气体环境分子 壁面碰撞模型认为能量调节系数兼顾了不同的气动作用并估算了阻力系数的不确定性.等利用 方法仿真分析了漫反射模型和准镜面模型对卫星阻力特性的影响发现 种壁面碰撞模型在 卫星上的阻力
5、差异约为.方法也被用于分析航天器再入大气层时的稀薄大气环境如文献研究了航天器再入阶段的气动特性和动力学稳定性文献研究了气动加热效应等.李志辉等将 方法应用于模拟阿波罗指令舱稀薄气体动力学特征中.周伟勇等采用部分计算总体叠加的思路分析了复杂外形卫星的气动力给出了卫星减阻的设计建议.黄飞等基于 方法分析了 卫星的气动特性讨论了不同物面反射系数对阻力特性的影响.靳旭红等 采用试验粒子蒙特卡洛方法分析了大气模型、飞行高度、轨道纬度等对超低轨道卫星阻力特性的影响规律.本文采用 方法对一典型超低轨道卫星进行了三维分子动力学仿真预测了卫星阻力特性研究了卫星不同几何参数对气动特性的影响规律.方法在稀薄气体中绝
6、大多数气体分子满足三体碰撞不重要条件.因此在 数值仿真的分子碰撞模型中考虑二元碰撞.如图 所示令 个气体分子的直径为、分子 相对于分子 的速度为 碰撞后的相对速度为 根据可变硬球()理论其相对偏转角 和碰撞截面 可以定义为()()式中碰撞参数 为质心参考系中未扰动轨迹的最近距离可由 /()计算得到其中 为相对速度与球心连线的夹角 为可变硬球分子的直径参数是气体分子碰撞对中相对速度的逆幂律形式函数.图 二元碰撞模型示意图稀薄流气体分子与物面的相互作用直接影响 方法对阻力特性的计算精度.针对卫星结构中与来流平行或小夹角的壁面采用镜面反射模型即假设气体分子与物面产生弹性碰撞.针对卫星结构中与来流垂直
7、或大夹角的壁面采用漫反射模型即假设气体分子与物面发生非弹性碰撞且反射后的气体分子向各个方向散射散射时的分子速度满足平衡的 分布.采用动量协调系数来描述反射分子的动量特性改变法向动量协调系数 表示分子与物面碰撞过程的法向动量改变切向动量协调系数 表示切向动量改变计算公式分别为 ()()式中、分别为入射分子的法向压力和切向压力、分别为反射分子的法向压力和切向压力为壁面法向压力.发生镜面碰撞时 第 期杭晓晨等:基于 方法的超低轨道卫星阻力特性分析:/.发生漫反射碰撞时.方法将抽样的气体分子以概率计数的方式来表示真实环境中大量的真实分子从而降低计算量.本文采用非时间计数法()在一个 网格内选取潜在可能
8、碰撞对当其碰撞概率 大于生成的随机数()时认为发生碰撞进行粒子速度与位置的追踪计算.基于统计理论根据微观分子运动状态推导宏观的分子数、密度、速度等流场信息进而计算流场中结构的压强、阻力等气动特性.低轨卫星阻力特性以一典型超低轨道卫星为研究对象轨道高度为 环境大气密度为./环境温度为.飞行速度为 /.基于 方法研究卫星的阻力特性分析结构构型对阻力特性的影响.卫星几何模型如图 所示.卫星本体柱段需容纳一定体积的载荷两侧太阳翼总面积约为.以柱体为长方体、横截面为矩形、柱体长 为基准模型基于 方法分析卫星在轨阻力特性并研究网格密度、头锥形状、长细比等参数对阻力特性的影响规律.图 典型超低轨道卫星几何模
9、型(单位:).网格密度对 结果收敛性的影响采用 方法仿真稀薄气体时卫星结构的网格过疏可能会导致对物面的曲面模拟失真计算结果精度较低过密的网格则会因为模拟大量分子壁面碰撞而加大计算资源消耗.以卫星的圆形平板头锥和半球形头锥为例在 轨道大气环境下研究网格密度对 方法计算气动阻力结果的影响.图 给出了不同网格密度设计方案.圆形平板直径为 厚度为 低、中、高密度网格分别包含、个三角形网格对应的网格特征长度分别为、相对尺度分别为、.半球形头锥底面外接圆直径为 低、中、高密度网格分别包含、个三角形网格对应的网格特征长度分别为、.不同网格密度模型受到的气动阻力见表.()低密度()中密度()高密度图 不同网格
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