[发明专利]一种基于动态边界条件的助推器再入运动分析方法

说明书

技术领域

本发明是针对预测助推器再入过程气动载荷和运动规律的分析方法。助推器再入至着陆过程中，时间历程和空间跨度相比其运动特征时间和长度都较大，助推器的外流场和气动载荷随时间和姿态变化，非定常流场产生的瞬态载荷直接影响助推器的运动规律。因此，准确获得再入过程的非定常流场和瞬态载荷是进行助推器再入运动分析的首要条件，本发明从求解助推器的三维非定常流场出发，建立运动分析模型，提出助推器再入运动分析方法。

背景技术

可重复使用运载器是降低航天运输成本的有效手段，也是未来航天运载技术发展的必然趋势。目前，国内外大多数的航天运载器都是一次性使用的，现有的技术水平距离航天运载系统完全可重复使用的目标仍有相当大的差距，因此对可重复使用运载器的需求推动了该领域的技术研究。为实现可重复使用的目的，国内外对作为运载器的火箭系统开展了不同层次的运动分析和回收技术研究，其中对助推器的再入运动和回收已成为航天运载领域关注的热点。国外发达国家的航天机构相继开发了再入运动分析工具，以预测助推器再入过程中的载荷和运动规律变化，为回收提供必要参数。如美国NASA开发的DAS和ORSAT软件系统，欧洲ESA开发的SESAM和SCARAB软件系统，日本NASDA在ORSAT基础上开发的ORSAT-J软件系统，这些软件系统能够实现对运载器再入至着陆整个过程的载荷和运动进行预测。相比之下，公开发表的文献表明国内在此领域的系统研究较少。为了获得助推器再入过程中瞬态气动载荷作用下的运动规律和姿态，本发明基于多重参考坐标系原理和滑移网格技术，结合动态边界条件，提出一种助推器再入运动分析方法。

多重参考坐标系原理最早应用于叶轮机械转/静流道的定常/非定常流场计算，其主要思想为：通过交界面将计算域分解为转动域和静止域，对包含旋转壁面的转动域求解转动坐标系下的流动控制方程，对静止计算域求解静止坐标系下的流动控制方程。转动域和静止域之间通过交界面进行数据传递，交界面的处理要保证质量、动量和能量守恒，进而实现各计算域流场同时求解，得到全流场解。

转动/静止坐标系下的流场速度之间的关系是:

Ur→=U→-(ω→×r→)---(1)]]>

其中：为转动坐标系下的速度矢量；为静止坐标系下的速度矢量；为转动角速度矢量；为相对位置矢量。

转动坐标系下的连续方程为：

∂ρ∂t+▿·(ρUr→)=0---(2)]]>

在静止计算域中，将（2）式中的速度矢量替换为

转动坐标系下的动量方程为：