上面级火箭喷流流场及底部热状况的数值模拟

摘要

上面级火箭的工作高度覆盖约50~1000km，其高温喷流会随高度升高而膨胀加剧，从而对位于火箭底部的仪器或机械设备产生热辐射甚至还有热对流的加热作用。对底部热状况估计不足，会给底部设备带来严重威胁，估计过高又会使防热设计过于保守而增加死重并提高发射成本。目前我国的火箭设计中还没有对此进行系统深入的研究，实际航天任务中也多次出现了底部热环境恶化引起的问题，甚至导致航天任务失败。 由于上面级火箭底部热状况试验研究费用大、实施困难，采用数值方法模拟发动机喷流流场并计算火箭底部的局部热流密度值，可以大幅节约成本。对高空喷流流场进行准确模拟是获得火箭底部加热局部热流的关键。本文首先介绍了喷流流场的湍流模型和数值求解方法；然后，针对某上面级火箭的单发动机和多发动机建立模型，采用FLUENT软件计算发动机喷流流场。其中对于单发动机模型，模拟时考虑了喷流流场随高度增加的变化情况；对于多发动机模型，重点考察了多股喷流间的相互影响。 针对高空喷流在喷管外剧烈膨胀，而所要考查的表面相对膨胀的气体来讲很小，即典型的“大发射面小接收面”问题，因此适合采用反向蒙特卡罗法计算喷流气体及喷管扩张段壁面对火箭底部考察位置产生的辐射热流密度。首先介绍了气体热辐射的特性及气体热辐射模型和能量传递过程；接着介绍了求解气体热辐射的模拟方法—反向蒙特卡罗法的基本原理，建立了反向蒙特卡罗法求解喷流气体热辐射的数学模型，并进行了正确性验证；最后对已得到的喷流流场，采用该方法计算热辐射，得到了喷管扩张段壁面和喷流气体在火箭底部不同位置产生的辐射热流密度值。 本文在喷流流场模拟过程中，发现喷流在高空某一高度会产生流向火箭底部的反流，在多发动机模型中，反流现象更为明显。反流会对火箭底部位置产生对流加热影响，本文采用热力学理论公式，计算了反流的对流热流密度值。 本文研究结果可为我国上面级火箭的底部热防热设计及地面考核试验提供参考数据。