Аэротермодинамика перспективных космических аппаратов

en 

В рамках проекта планируются расчетные и экспериментальные исследования в области высотной аэротермодинамики КА. Перспективы развития аэрокосмической техники в настоящее время связаны с разработкой нового поколения возвращаемых космических аппаратов и созданием транспортных гиперзвуковых летательных аппаратов. Создание таких аппаратов невозможно без решения ряда фундаментальных научных задач, относящихся к механике гиперзвукового полета, и связанных, в первую очередь, с физико-химической и радиационной газовой динамикой высокоскоростных потоков, которые являются критически важными для создания будущих образцов аэрокосмической техники. Экспериментальное моделирование в данной области требует огромных материальных и финансовых затрат. Частично эта задача будет разрешена за счет моделирования стационарного истечения импульсным, которое обеспечивается аппаратурой и диагностическими методами комплекса газодинамических стендов ЛЭМПУС НГУ и требует на порядки меньших затрат энергии и расходуемых материалов. Однако решающая роль при проведении исследований отводится численному моделированию. Будут усовершенствованы и апробированы новые численные методы исследования высотной аэротермодинамики КА на кинетическом уровне, прежде всего с точки зрения достоверности моделирования неравновесных физико-химических процессов. Разработанный на основе новых методов численный инструментарий будет использован для детального исследования высотной аэротермодинамики перспективных аэрокосмических аппаратов.

Применение континуальных методов для описания течений на больших высотах полета невозможно вследствие сильной разреженности атмосферы. В этом случае необходимо использовать кинетическое описание течения, основанное на уравнении Больцмана. Наиболее широко используемый подход к решению уравнения Больцмана — метод прямого статистического моделирования (ПСМ), который является в настоящее время основным инструментом для изучения сложных многомерных течений разреженного газа. Основные ограничения в использовании кинетического подхода в настоящий момент связаны с недостаточной детальностью и физической адекватностью используемых в нем моделей для описания различных физико- химических процессов: диссоциации, колебательной релаксации, ионизации, каталитической рекомбинации, излучения газа и т. п., особенно для параметров течения, соответствующих спуску космического аппарата со второй космической скоростью. В рамках настоящего проекта будут разработаны, апробированы и использованы в решении конкретных аэротермодинамических задач методом ПСМ новые молекулярные модели для описания столкновительных процессов в высокоскоростных реагирующих течениях, обладающие более высокой степенью достоверности по сравнению с существующими моделями. Будет создана программная система для расчетов высотной аэротермодинамики космических аппаратов методом ПСМ на гибридных вычислительных кластерах, в которых вычислительные узлы созданы как на основе центральных (CPU), так и графических (GPU) процессоров. Моделирование эффектов реального газа в новой программной системе будет основано на новых молекулярных моделях. Апробация численных методов и верификация программной системы будет проведена сравнением с результатами современных экспериментальных исследований высокоэнтальпийных ламинарных течений, а так же с данными полетных экспериментов. Будут численно исследованы ламинарные отрывные течения, возникающие около аэродинамических органов управления КА на больших высотах, и изучено влияние эффектов реального газа на структуру таких отрывных течений. Будет проведено численное исследование аэротермодинамики спускаемых капсул перспективных КА (в том числе для условий спуска со второй космической скоростью) с учетом эффектов реального газа и определены их интегральные аэротермодинамические характеристики и распределенные по поверхности силовые и тепловые нагрузки при различных высотах полета.

Важной задачей высотной аэротермодинамики является снижение тепловых потоков и управление движением спускаемых аппаратов. Наряду с известными в настоящее время методами управления волновым сопротивлением (выдвижная аэродинамическая игла, выдув в набегающий поток струй газа, жидкости или твердых частиц, лазерная искра перед телом), основная идея которых заключается в формировании течения подобного обтеканию заостренного тела, предложен новый подход к управлению аэродинамическими характеристиками затупленных тел с использованием газопроницаемых пористых материалов. Взаимодействие сверхзвуковых и гиперзвуковых потоков с газопроницаемыми материалами в настоящее время является достаточно слабо изученным разделом аэродинамики. Участниками проекта впервые начаты экспериментальные и численные исследования этих процессов, которые сулят большие перспективы с точки зрения разработки новых и эффективных методов управления обтеканием тел. Использование пористых газопроницаемых материалов позволяет создавать в полете заданную аэродинамическую форму летательного аппарата, используя структуру материала и управляя вязкостью газа в порах. Это повысит быстродействие систем управления по сравнению с традиционными методами использования управляющих поверхностей. В рамках проекта предполагается выполнить комплексное расчетно-экспериментальное исследование обтекания цилиндра параллельного сверхзвуковому потоку с газопроницаемым материалом на переднем торце. Экспериментальные исследования предполагается выполнить в гиперзвуковой аэродинамической трубе Т327Б при числе Маха М = 5. В качестве газопроницаемых материалов будут использованы сетчатые экраны и ячеисто-пористые материалы различной пространственной структуры и величины пористости. Экспериментальные исследования будут дополнены численным моделированием. В частности, будут проведены параметрические расчеты для поиска оптимальной структуры материалов и внутреннего температурного поля.

Назад