一种大尺寸自由活塞激波风洞模拟地外行星大气的方法与流程

本发明属于风洞试验，尤其涉及一种大尺寸自由活塞激波风洞模拟地外行星大气的方法。

背景技术：

1、深空探测活动是人类认识宇宙的重要一步，太空中的诸多星体蕴含着宇宙的奥秘。随着深空探测技术的发展，人类向往对地外行星的不断探索。然而，人类并不满足于对行星的远距离观测，而是希望能采集行星表面的土壤样品进行研究，进而实现对行星的移民。

2、飞行器进入行星大气时，飞行器头部形成很强的弓形激波，周围气体通过激波加热或者黏性阻滞减速，产生数千度甚至上万度的高温，引起气体介质内在属性的深刻变化，产生分子振动激发、离解、电离以及电子激发和光辐射、烧蚀等一系列复杂的物理化学过程。这些分子、原子的微观过程和气体的宏观流动相互耦合，微观、宏观的现象彼此制约，互成因果。高温使得周围气体存在真实气体效应，经历热非平衡过程，强烈地改变了飞行器周围气体的物理属性和流场特性，是飞行器设计必须考虑的方向。飞行器进入地外大气环境，对地外大气环境认知有限尤其是高超声速空气动力学特性热环境存在较大的短板。利用大尺寸自由活塞激波风洞模拟飞行器进入地外大气环境，建立飞行器进入地外大气环境测量技术，为深空探测工程提供地面试验支撑。同时，推动高温气体效应试验研究的发展，在高超声速飞行器巡航飞行器领域有广阔的应用前景。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种大尺寸自由活塞激波风洞模拟地外行星大气的方法，不仅仅能模拟行星环境，还可以模拟高速飞行器在行星飞行过程中的飞行环境，提高飞行器在行星环境飞行中的飞行能力。

2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种大尺寸自由活塞激波风洞模拟地外行星大气的方法，包括：

3、步骤1，根据待模拟的地外行星的大气组分，选择对应的试验气体；

4、步骤2，根据流体力学相似理论，对选择的试验气体的物理和化学属性进行分析，确定需要模拟的相似参数；

5、步骤3，根据确定的需要模拟的相似参数，确定需要模拟的飞行环境参数；

6、步骤4，根据确定的需要模拟的相似参数，确定需要模拟的喷管驻室参数和喷管自由流参数；

7、步骤5，根据确定的试验气体、需要模拟的相似参数、需要模拟的飞行环境参数、需要模拟的喷管驻室参数和喷管出口自由流参数，开展风洞驻室参数和喷管出口自由流参数地面模拟试验，得到与飞行环境匹配的试验结果。

8、在上述大尺寸自由活塞激波风洞模拟地外行星大气的方法中，根据待模拟的地外行星的大气组分，选择对应的试验气体，包括：若待模拟的地外行星是火星，则选择二氧化碳作为试验气体；若待模拟的地外行星是木星，则选择氢气和氦气作为试验气体。

9、在上述大尺寸自由活塞激波风洞模拟地外行星大气的方法中，需要模拟的相似参数包括：马赫数、雷诺数、速度和双尺度参数中的任意一种或多种。

10、在上述大尺寸自由活塞激波风洞模拟地外行星大气的方法中，需要模拟的飞行环境参数包括：飞行速度、飞行环境总温和环境压力。

11、在上述大尺寸自由活塞激波风洞模拟地外行星大气的方法中，需要模拟的喷管驻室参数包括：喷管驻室温度和喷管驻室压力。

12、在上述大尺寸自由活塞激波风洞模拟地外行星大气的方法中，在已有的重活塞调谐状态参数下，根据压缩管定压驱动气体压力p4和温度t4，确定激波管的压力p1_end：

13、

14、其中，p41表示驱动气体压力p4与激波管试验气体压力p1之比，gp表示压力增益系数，γ1表示激波管中试验气体的比热比，mat表示入射激波马赫数；mat＝us/a1，us表示入射激波速度，a1表示激波管中试验气体的声速；γ4表示驱动气体的比热比，a14表示试验气体声速与驱动气体声速之比，ga表示驱动气体声速增益；

15、入射激波后的气体为2区气体，用下标2表示，有：

16、

17、其中，u2表示入射激波后试验气体的速度，h2表示入射激波后试验气体的焓值，p2表示入射激波后的压力；p1表示激波管试验气体压力，其初始迭代压力为p1_initial；ρ1表示入射激波前的气体密度，ρ2表示入射激波后的气体密度，h1表示入射激波前的气体焓值，ρ(p2,h2)表示入射激波后的密度是入射激波后的压力p2和焓值h2的函数；

18、考虑真实气体效应的影响，反射激波波后5区气体状态为喷管驻室状态，用下标5表示5区气体参数，则由下列守恒型方程得到：

19、

20、其中，ur表示反射激波速度，p5表示喷管驻室压力，h5表示喷管驻室气体焓值，ρ5表示喷管驻室气体密度。

21、在上述大尺寸自由活塞激波风洞模拟地外行星大气的方法中，对于需要模拟的喷管出口自由流参数，结合对应组分气体动力学理论和多组元轴对称n-s方程数值模拟，耦合求解喷管出口自由流参数和喷管驻室参数，再结合激波管理论和缝合接触面条件，获得激波管所需要的气体压力，缝合马赫数mat由下式得到：

22、

23、其中，a14表示试验气体声速与驱动气体声速之比；ε表示入射激波前后气流密度比；β4表示驱动气体比热比；k表示缝合接触面上游气体密度与下游密度之比。

24、在上述大尺寸自由活塞激波风洞模拟地外行星大气的方法中，该大尺寸自由活塞激波风洞模拟行星大气的方法基于大尺寸自由活塞激波风洞模拟行星大气的装置实现，该装置包括：高压储气室、重活塞、压缩管、高压气源、膜片、激波管、试验气体充气装置、空气充气装置、真空泵、喷管和试验段；其中，高压储气室、压缩管、激波管、喷管和试验段的采用并联方式依次连接，重活塞位于压缩管中；高压气源与高压储气室连接，向高压储气室充高压空气；膜片位于压缩管和激波管之间，当重活塞运动到压缩管末端时，膜片破裂，压缩管中的驱动气体与激波管的试验气体进行能量交换；试验气体充气装置和空气充气装置、真空泵与激波管连接。

25、在上述大尺寸自由活塞激波风洞模拟地外行星大气的方法中，在激波管中充入试验气体前，通过真空泵将激波管中原有气体进行抽真空处理，当真空度小于100pa时，静置15分钟以上，然后再充入试验气体，充入的试验气体的压力需大于激波管压力p1_end的1.1～1.2倍，静置30分钟，稳定后，打开抽气系统，将压力抽到所需初始压力p1_initial。

26、在上述大尺寸自由活塞激波风洞模拟地外行星大气的方法中，选用的喷管为型面喷管，型面喷管采用特征线法进行设计，设计完成后，利用多组元轴对称n-s方程数值方法进行校对。

27、本发明具有以下优点：

28、本发明相对现有技术带来的有益效果为：

29、(1)本发明公开了一种大尺寸自由活塞激波风洞模拟地外行星大气的方法，能够开展大尺寸模型行星环境的测量。

30、(2)本发明公开了一种大尺寸自由活塞激波风洞模拟地外行星大气的方法，能够实现大尺寸模型行星大气马赫数和雷诺数的精确模拟。

31、(3)本发明公开了一种大尺寸自由活塞激波风洞模拟地外行星大气的方法，能够实现大尺寸模型行星大气速度、压力和双尺度参数的模拟。