[发明专利]一种低舱内压力下的航天器排气质量流量确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低舱内压力下的航天器排气质量流量确定方法，属于航天器空气动力学技术领域。

背景技术

在非气密航天飞行器发射过程中随着高度的升高，舱外压力不断减小，为保证舱内、外压差能够维持在允许的范围之内，需要在飞行器表面设计排气通道将舱内气体排出，保证飞行器的结构安全。

理论上，排气过程可使用非定常计算流体力学方法进行精细模拟，但经过对排气过程特征时间的考察后发现使用计算流体力学方法并不可行。假设排气通道直径为10mm，长度为92.5mm，因其中流速可达音速，因此其流动特征时间为1×10^-4s量级。若采用非定常计算流体力学手段模拟其中的流动，所采用的时间步长至少应比特征时间小一个量级，即1×10^-5s。一般航天飞行器主动段长度为100s，按前述时间步长计算，总计算时间步需10⁷步，以每步需1秒计，一个工况的计算时间约为115天，因此采用非定常计算流体力学模拟手段直接模拟整个排气过程的计算量过大，在当前的计算条件下难以实现。

针对排气系统的设计问题，国外已发展出多套基于工程方法的计算软件，并在型号设计中进行了应用。其中较有代表性的是NASA的CHCHVENT和洛克希德·马丁公司的Hemulv。CHCHVENT由NASA的Fay等人开发，可用于任意布置的舱段与排气通道构型的分析，其射流系数可设定为常数或由用户通过数据表输入。Hemulv由原Martin Marietta公司(后并入洛克希德·马丁公司)为Titan IV计划中排气系统的设计而开发。Hemulv可用于多舱段间的排气问题，但其射流系数仅可指定为常值，因此设计时需对射流系数进行敏感性分析给出结果误差范围。上述计算软件的基本思想均是以一维等熵流为基础给出理想状态下的质量流量，并通过流量系数的方式引入射流等因素引起的流量损失，是一种基于风洞试验数据的半经验方法。因作为其理论基础的一维等熵流理论已忽略了粘性效应，该方法仅适用于粘性效应较小的高舱内压力下的排气流量确定。对于低舱内压力下排气问题，由于流动的雷诺数较低，粘性效应已可与对流效应相比，传统计算方法已无法给出准确的排气质量流量。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种低舱内压力下的航天器排气质量流量确定方法。

本发明的技术解决方案为：

一种低舱内压力下的航天器排气质量流量确定方法，步骤如下：

(1)将航天器排气过程分为三个部分：第一个过程为气体由舱内流向舱壁上排气通道入口处的一维等熵流动过程；第二个过程为由排气通道入口处到排气通道出口处的考虑摩擦的管道流动过程；第三个过程为由排气通道出口处膨胀至航天器外部空间压力的一维等熵流动过程；

(2)针对所述第一个过程建立航天器舱内气体流动模型，具体为：

其中，A为排气通道的横截面积，ρ₁、p₁和T₁分别为排气通道入口处的气体密度、压力和温度，γ为气体比热比，R为气体常数，和分别为航天器舱内的静止气体的总压和总温，且p₀和T₀分别为舱内气体的静压和静温，Ma₁为排气通道入口处的气体马赫数，为排气通道入口处的气体质量流量；

(3)针对所述第二个过程建立排气通道内气体流动模型，具体为：

其中，Ma₂、p₂、T₂分别为排气通道出口处的气体马赫数、气体总压、静压、总温和静温，为排气通道入口处的气体总压和总温，D为排气通道直径，L为排气通道的长度，μ_ref为参考层流粘性系数1.8247×10^-5kg/(m·s)；

(4)针对所述第三个过程建立排气通道出口处向航天器外部空间膨胀的气体流动模型，具体为：

其中，Ma₃、p₃、ρ₃、T₃和分别为气体由排气通道出口膨胀至航天器外部空间所形成的射流的流动马赫数、静压、密度、温度和气体质量流量，p₃与外部空间压力相等；