CN114184344B - 飞行器撞入高电离环境气动影响试验仿真方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞行器撞入高电离环境气动影响试验仿真方法，该方法采用飞行器特定飞行条件设计高功率电磁波击穿大气试验，得到空间等离子体电子密度初始值，然后在相同飞行状态下，仿真建立满足空间等离子体衰减规律的电子数密度随时间变化数学模型，并作为气动计算的气体组分输入；之后针对飞行器撞入微波等离子体云团过程构建准定常时间推进技术，仿真高电离云团对撞入飞行器的气动影响情况。本发明能够有效结合试验与仿真两大研究技术，为飞行器撞入带电云团这一全过程形成一套由真实试验激发产生到气动仿真计算的完整闭环研究体系，有效克服试验或者仿真等单一开环研究方法的局限性，可为研究等离子体与飞行器相互作用提供新途径。

Description

飞行器撞入高电离环境气动影响试验仿真方法及其应用
技术领域
本发明涉及的是一种结合微波等离子体试验技术的飞行器撞入高电离环境气动影响仿真方法与应用，实现复杂电磁环境对飞行器气动力影响的仿真计算，属于电磁与计算流体力学交叉、试验与仿真相结合的技术领域。
背景技术
临近空间是指距地面20~100km高度的空间区域，由于其中所包含的平流层区域没有大气对流现象且空气中含有的杂质比例也相对较小，又处于恒温状态，使得在这一区域飞行的高速飞行器具有受干扰少，机动性能强，维护简单和使用寿命长等优势，是高超声速飞行器理想的飞行环境。但由于高超声速飞行产生的高温环境，伴随着“真实气体效应”，使得飞行器周围形成一个非均匀的等离子体包裹流场，改变飞行器周围气体的组分。目前大多数研究等离子体与飞行器之间相互作用的研究工作，聚焦于电磁对飞行器的通信、雷达隐身方面的影响，对飞行器气动方面则鲜有研究。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供飞行器撞入高电离环境气动影响试验仿真方法及其应用。
本发明的技术方案如下：
一种飞行器撞入高电离环境气动影响试验仿真方法，包括以下步骤：
1）设计电磁击穿大气试验，测量等离子体相关参数；
2）根据测得的参数，求解粒子扩散方程
Figure 101218DEST_PATH_IMAGE001
，其中t是时间，n是粒子数密度，D是扩散系数，S是源项，v i 是电离率；
完成空间等离子体产生模拟仿真，得到电子数密度随时间变化关系，即建立等离子体云团模型；
3）由等离子体云团模型，得到气动仿真输入需要的离子质量分数；
4）选择化学反应动力学模型模拟真实气体效应，输入飞行器飞行条件，进行气动仿真。
步骤1）中所述的电磁击穿大气试验，测量等离子体相关参数步骤为：
1.1）开启真空机组调节真空室气压到设定值；
1.2）设置微波输出参数，启动微波源，监测微波输出并记录实验区图像，同时测量发射光谱；
1.3）调节微波源输出值从低到高，直至大气击穿，得到对应击穿场强；
1.4）利用微波干涉仪测量等离子体电子密度，同时通过光谱数据给出击穿后等离子体温度。
步骤2）中所述的建立等离子体云团模型步骤为：
2.1）选择高斯分布作为微波等离子体在空间的实际分布情况；
2.2）以
Figure 786277DEST_PATH_IMAGE002
仿真微波等离子体云团在大气中的衰减过程，其中A表示等离子体密度，t表示时间，单位是ms，b为衰减系数，单位是ms-1。
步骤3）根据得到的等离子体云团模型，给定气动仿真需要的气体组分输入，步骤为：
3.1）按照满足空间等离子体衰减过程的等离子体云团数学模型，得到不同时刻的电子数密度；
3.2）通过4.1）的得到不同时刻的电子数密度，查询对应高度气体密度，进而得到电子质量分数，作为仿真计算的空气组分输入。
步骤4）中所述的气动仿真，步骤为：
4.1）完成对应飞行器结构网格的划分；
4.2）选择化学反应动力学模型，模拟真实气体效应；
4.3）设置计算输入，进行模拟仿真，得到气动仿真结果。
一种所述的方法的应用，通过高功率微波在大气中聚焦，焦点位置将局部形成瞬态高电荷密度与电离度的等离子体云团，撞入其中的飞行器周围气体参数急剧变化，根据多种飞行器进行气动仿真的结果进行识别和监控。
另一种所述的方法的应用，通过高功率微波在大气中聚焦，焦点位置将局部形成瞬态高电荷密度与电离度的等离子体云团，撞入其中的飞行器周围气体参数急剧变化，根据多种飞行器进行气动仿真的结果用于远程控制和影响飞行器的飞行。
本发明的有益效果：
根据高功率电磁波场强大于大气击穿阈值可实现等离子体的产生这一机理，以飞行器飞行条件作为输入设计试验，得到离子扩散方程的近似解；运用仿真技术，根据等离子体衰减规律得到特定飞行条件下的等离子体云团模型；运用准定常时间推进技术，仿真计算飞行器撞入过程的气动变化，得到等离子体云团对撞入的飞行器气动影响。本发明能够有效结合试验与仿真两大研究技术，为飞行器撞入带电云团这一全过程形成一套由真实试验激发产生到气动仿真计算的完整闭环研究体系，有效克服试验或者仿真等单一开环研究方法的局限性，可为研究等离子体与飞行器相互作用提供新途径。
附图说明
图 1是35km高度等离子体云团数学建模说明图。
图 2是HTV2结构网格划分展示图。
图 3是准定常推进技术说明图。
图 4是轴向力随时间变化图。
图 5是法向力随时间变化图。
图 6是俯仰力矩随时间变化图。
具体实施方式
下面将结合附图详细描述本发明的具体实施方式，本发明的目的和效果将变得更加明显。
以HTV2为试验飞行器模型，以高度35km，马赫数6，攻角6°为飞行条件。查询得该高度大气物理参数分别为：T=236.5103K，P=574.595Pa，当地声速为308.3m/s，Ρ=0.00846Kg/ m 3 。
首先进行电磁击穿大气试验，试验设备主要包括：
1）大功率微波源及其配套的标准信号源、控制台；
2）大气环境模拟室及其配套***（真空室、抽气泵等）；
3）微波输出监测***；
4）光学成像***，拍摄等离子体的演化过程；
5）光谱仪，测量等离子体参数的测量；
6）微波干涉仪，测量等离子体参数的测量。
试验具体步骤：开启真空机组调节真空室气压到P=574.595Pa，微波输出初始参数为104 V/m，频率8GHz，启动微波源，逐步调高微波源输出电场强度值，监测微波输出并记录试验段图像，测量发射光谱，直至大气击穿，得到相应的击穿场强，利用干涉仪测量等离子体电子数密度为2.653×1017。
考虑到采用的等离子体产生方式为微波脉冲，故选择高斯分布作为初始分布；微波产生的等离子体，会形成越来越多的丝状周期结构，由于周期长度与云团尺寸相比很小，在宏观尺度云团可看成密度分布均匀的结构，通过仿真得到35km高度等离子体云团的数学模型，其过程如图1所示，最终结果如下：
Figure 403203DEST_PATH_IMAGE003
其中t单位是ms。
划分飞行器结构网格，如图2所示。
根据上述35km高度等离子体云团数学模型模型，利用准定常推进技术，技术图解如图3所示：由于单位时间内飞行距离远远大于飞行器尺寸，故假定撞入瞬间完成；在等离子体密度不断衰减这一非定常过程中，取t1=0、t2=0.1、t3=0.3、t4=0.5、t5=1时刻，每个准定常时刻基于LU-SGS时间推进计算，并采用松弛迭代完成粘性项和化学反应源项点的近似隐式处理。选择七组元Gupta模型作为化学反应动力学模型，仿真计算气体组分设定如表1所示，表格中间数据是各组元质量分数（由于带电粒子的质量分数远远小于中性粒子的质量分数，因而设定氧气的质量分数不随电子数密度的变化而变化）：
Figure 224529DEST_PATH_IMAGE004
。
通过仿真计算得到初始流场以及t1=0、t2=0.1、t3=0.3、t4=0.5、t5=1时刻的流场的气动结果如表2所示：
Figure 901498DEST_PATH_IMAGE005
。
数据处理：按照公式“变化百分比=∣初始流场系数-添加电子流场系数∣/初始流场系数×100%”计算得到的气动变化如下表3所示：
Figure 57542DEST_PATH_IMAGE006
。
轴向力、法向力、俯仰力矩系数随时间变化如图4、图5、图6所示。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims (3)

1.一种飞行器撞入高电离环境气动影响试验仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）设计电磁击穿大气试验，测量等离子体相关参数；
2）根据测得的参数，求解粒子扩散方程
Figure 404934DEST_PATH_IMAGE001
，其中t是时间，n是粒子数密度，D是扩散系数，S是源项，v i 是电离率；
完成空间等离子体产生模拟仿真，得到电子数密度随时间变化关系，即建立等离子体云团模型；
3）由等离子体云团模型，得到气动仿真输入需要的离子质量分数；
4）选择化学反应动力学模型模拟真实气体效应，输入飞行器飞行条件，进行气动仿真；
步骤1）中所述的设计电磁击穿大气试验，测量等离子体相关参数步骤为：
1.1）开启真空机组调节真空室气压到设定值；
1.2）设置微波输出参数，启动微波源，监测微波输出并记录实验区图像，同时测量发射光谱；
1.3）调节微波源输出值从低到高，直至大气击穿，得到对应击穿场强；
1.4）利用微波干涉仪测量等离子体电子密度，同时通过光谱数据给出击穿后等离子体温度；
步骤2）中所述的建立等离子体云团模型步骤为：
2.1）选择高斯分布作为微波等离子体在空间的实际分布情况；
2.2）以
Figure 322075DEST_PATH_IMAGE002
仿真微波等离子体云团在大气中的衰减过程，其中A表示等离子体密度，t表示时间，单位是ms，b为衰减系数，单位是ms-1；
步骤3）根据得到的等离子体云团模型，给定气动仿真需要的气体组分输入，步骤为：
3.1）按照满足空间等离子体衰减过程的等离子体云团数学模型，得到不同时刻的电子数密度；
3.2）通过3.1）的得到不同时刻的电子数密度，查询对应高度气体密度，进而得到离子质量分数，作为仿真计算的空气组分输入；
步骤4）中所述的气动仿真，步骤为：
4.1）完成对应飞行器结构网格的划分；
4.2）选择化学反应动力学模型，模拟真实气体效应；
4.3）设置计算输入，进行模拟仿真，得到气动仿真结果。
2.一种如权利要求1所述的方法的应用，其特征在于，
通过高功率微波在大气中聚焦，焦点位置将局部形成瞬态高电荷密度与电离度的等离子体云团，撞入其中的飞行器周围气体参数急剧变化，根据多种飞行器进行气动仿真的结果进行识别和监控。
3.一种如权利要求1所述的方法的应用，其特征在于，通过高功率微波在大气中聚焦，焦点位置将局部形成瞬态高电荷密度与电离度的等离子体云团，撞入其中的飞行器周围气体参数急剧变化，根据多种飞行器进行气动仿真的结果用于远程控制和影响飞行器的飞行。
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