上面级发动机喷流与热控方案的联合仿真设计方法和装置与流程

本发明涉及飞行器设计，尤其涉及一种上面级发动机喷流与热控方案的联合仿真设计方法和装置。

背景技术：

1、与一般卫星长期在轨运行不同，运载火箭上面级任务时间短，在轨道部署任务期间内上面级经历多次变轨，热控系统面临比较复杂的轨道和空间环境。此外，上面级搭载不同卫星时，其轨道条件和发射窗口会有很大的不同，同时还要经历发射、上升轨道段、过渡轨道段、轨道布星等阶段，热控系统面临比较复杂的轨道和空间环境，并与动力系统存在复杂的热边界，其外热流变化迅速。上面级在进出地影区的瞬间，外热流的波动可达到1000w；外热流随空间指向的变化也非常明显，在同一轨道位置，上面级的向阳面和背阳面外热流相差同样可达到1000w，而常规卫星由于轨道变化和姿态调整引起的外热流变化只有几百瓦甚至几十瓦。可见上面级在轨运行期间经受的外热流要比普通卫星复杂得多。

2、目前，现有技术中主要采用试验的方式进行上面级热环境的分析后，然后再对热控方案进行设计，不仅成本非常高昂，而且因其工作环境处于稀薄大气条件，该现有的设计方案已经不满足设计的要求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种上面级发动机喷流与热控方案的联合仿真设计方法和装置，可以同时考虑热环境以及热控方案，不仅可以满足设计要求，而且成本较低。

2、为达上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种上面级发动机喷流与热控方案的联合仿真设计方法，所述联合仿真设计方法包括：

3、对上面级的热环境条件进行仿真分析，根据所述仿真分析的结果确定热控方案，所述热控方案包括热控措施的类型和热控材料的类型；

4、获取上面级热控仿真模型，并对所述上面级热控仿真模型进行网格划分；

5、获取火箭的弹道参数、发动机喷流参数和上面级工作时间；

6、根据所述弹道参数、所述发动机喷流参数、所述上面级工作时间和所述热控方案对所述上面级热控仿真模型进行仿真计算获得仿真计算结果，其中，所述仿真计算结果包括所述上面级热控仿真模型中每一个网格的温度、压力和速度；

7、根据上面级的周围流体材料的性质对所述仿真计算结果进行仿真分析，获得仿真分析结果，所述仿真分析结果包括所述上面级的压力、温度、速度和热流；

8、判断所述仿真分析结果是否满足设计要求，则如果所述仿真分析结果不满足设计要求，重新设计所述热控措施的类型和所述热控材料的类型并赋值给所述上面级热控仿真模型重新进行仿真计算。

9、在一些可能的实施方式中，所述联合设计方法还包括：如果所述仿真设计结果满足设计要求，对所述仿真分析结果进行后处理，获得所述上面级的温度云图、羽流速度云图和热流云图中的任意多个。

10、在一些可能的实施方式中，所述的根据所述弹道参数、所述发动机喷流参数、所述上面级工作时间和所述热控方案对所述上面级热控仿真模型进行仿真计算获得仿真计算结果，具体包括：所述仿真计算采用计算流体动力学和直接模拟蒙特卡洛方法相结合的方式；其中，

11、对于稀薄气体环境，采用直接模拟蒙特卡洛方法进行仿真计算，具体包括：

12、混合气体p、q，碰撞频率为：

13、平均自由程为：其中，σt为碰撞截面，σr为相对速度，n为分子数密度，cp为平均热运动速率；

14、对于燃气喷流采用计算流体动力学进行仿真计算，具体包括：

15、通过质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程以及结合粘性系数联合求解流动控制方程，获得所述仿真模型中每一个网格点压力、速度和温度；其中，

16、质量守恒方程为：ρ表示每一个网格点的混合气体的密度，v表示每一个网格点的混合气体的体积；

17、动量守恒方程为：f表示单位质量流体所受的远程外力，σ表示应力；

18、能量守恒方程为：ε表示单位质量流体的内能，d:σ表示张量的双点积，k为热导率。

19、在一些可能的实施方式中，所述上面级热控仿真模型包括：上面级的框架、发动机、燃料箱、管路和仪器电缆，以及所述上面级的框架、发动机、燃料箱、管路和仪器电缆对应的热控组件；其中，所述热控组件包括热控方案的类型和热控材料的类型。

20、在一些可能的实施方式中，所述热控方案的类型包括隔热屏、聚酰亚胺镀铝薄膜和防热涂层，所述热控材料的类型包括主动式、疏导式、热沉式和辐射式。

21、在一些可能的实施方式中，对所述运载火箭上面级热环境条件进行仿真分析，根据所述仿真分析的结果确定热控方案，具体包括：

22、根据所述仿真分析的结果中的热辐射占比，对所述上面级热控模型中的不同部件采取不同的热控措施，所述框架采用侧边喷涂防热涂料、底部多层聚酰亚胺镀铝薄膜的热控措施，所述燃料箱采用多层聚酰亚胺镀铝薄膜的热控措施；所述管路和所述仪器电缆均采用硅橡胶与玻璃纤维带结合的热控措施。

23、在一些可能的实施方式中，所述的根据所述仿真分析的结果中的热辐射占比，对所述上面级热控模型中的不同部件采取不同的热控措施，具体包括：

24、对所述上面级的发动机采用钛合金隔热屏的热控措施，对上面级的框架采用聚酰亚胺镀铝薄膜的热控措施。

25、第二方面，本发明实施例提供了一种上面级发动机喷流与热控方案的联合仿真设计装置，所述联合仿真设计装置包括：

26、第一仿真分析单元，用于对上面级热的环境条件进行仿真分析，根据所述仿真分析的结果确定热控方案，所述热控方案包括热控措施的类型和热控材料的类型；

27、第一获取单元，用于获取上面级热控仿真模型，并对所述上面级热控仿真模型进行网格划分；

28、第二获取单元，用于获取火箭的弹道参数、发动机喷流参数和上面级工作时间；

29、仿真计算单元，用于根据所述弹道参数、所述发动机喷流参数、所述上面级工作时间和所述热控方案对所述上面级热控仿真模型进行仿真计算获得仿真计算结果，其中，所述仿真计算结果包括所述上面级热控仿真模型中每一个网格的温度、压力和速度；

30、第二仿真分析单元，用于根据上面级的周围流体材料的性质对所述仿真计算结果进行仿真分析，获得仿真分析结果，所述仿真分析结果包括所述上面级的压力、温度、速度和热流；

31、判断单元，用于判断所述仿真分析结果是否满足设计要求，如果所述仿真分析结果不满足设计要求，则重新设计所述热控措施的类型和所述热控材料的类型并赋值给所述上面级热控仿真模型重新进行仿真计算。

32、第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：

33、一个或多个处理器；

34、存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面任意一种所述的一种上面级发动机喷流与热控方案的联合仿真设计方法。

35、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如第一方面任意一种所述的一种上面级发动机喷流与热控方案的联合仿真设计方法。

36、上述技术方案的有益技术效果在于：

37、本发明实施例提供的一种上面级发动机喷流与热控方案的联合仿真设计方法和装置该方法包括：对上面级的热环境条件进行仿真分析以确定热控方案；获取上面级热控仿真模型，并对上面级热控仿真模型进行网格划分；根据弹道参数、发动机喷流参数、上面级工作时间和热控方案对上面级热控仿真模型进行仿真计算获得仿真计算结果，根据上面级的周围流体材料的性质对计算结果进行仿真分析，获得仿真分析结果；判断仿真分析结果是否满足设计要求，如果仿真设计结果不满足设计要求，重新设计热控方案并赋值给上面级热控仿真模型重新进行仿真计算。本发明实施例在稀薄大气环境条件下，联合对热环境、热控方案进行仿真分析，设计出满足要求的热控方案。