[发明专利]超低轨飞行器气动力快速计算方法

说明书

一种超低轨飞行器气动力快速计算方法，包括下列步骤：1)根据飞行器的初始外形，建立表面网格单元；2)使用迎风单元求解方法对表面网格单元进行分类，分类为迎风单元及背风单元；3)根据飞行高度所在的气体区域特性及单元种类的不同，使用不同的工程算法进行气动力计算；4)使用表面积分方法对所有的单元气动力进行积分，得到飞行器所受气动力合力。本发明方法具有计算时间短、效率高的特点，能用于超低轨飞行器的总体设计过程及控制率设计。

技术领域

本发明涉及超低轨飞行器，特别是一种超低轨飞行器气动力快速计算方法。

背景技术

在太空技术的不断发展下，低层太空在通信，对地成像，旅游领域潜力巨大，有重要的商业价值，成为各个国家或组织竞争太空资源，发展太空经济的新风向标。与传统的太空飞行器不同，超低轨飞行器受到的气动摄动大，造成轨道维持与姿态控制的困难。同时，由于其运行高度在120km-300km之间，属于过渡流区与自由分子流区，对于气动力的估算缺少经验、理论与工具，造成总体设计与动力选型上的困难。因此，深入研究超低轨飞行器的气动力快速计算方法具有重要价值。

对于超低轨飞行器的气动力的计算，目前的研究常采取的是以波尔兹曼方程导出的直接模拟蒙特卡洛法(DSMC)及试验粒子蒙特卡洛法(TPMC)，其通过模拟气体分子与超低轨飞行器表面发生碰撞，分子与超低轨飞行器表面发生能量与动量的交换情况，进而较为精确的计算出超低轨飞行器的气动力大小。这种方法的特点是计算精度高，然而对硬件要求高，计算效率较低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种超低轨飞行器快速气动力计算方法，该方法具有计算时间短、效率高的特点，能用于超低轨飞行器的总体设计过程及控制率设计。

本发明的解决方案如下：

一种超低轨飞行器气动力快速计算方法，其特点在于步骤如下：

1)根据飞行器的初始外形，建立超低轨飞行器的三维模型，并将表面网格离散为三角形单元建立表面网格单元；

2)使用投影法对表面单元进行筛选，分类为迎风单元及背风单元；所述的迎风单元指的是在来流矢量的方向上，没有被其他单元遮挡的三角单元；除了迎风单元之外的三角单元为所述的背风单元；

3)首先判断飞行器所处的区域流动特性，使用不同的工程算法进行气动力计算：

对于连续流区迎风单元的气动力采用修正牛顿法计算：

C_P＝C_Pmax sin²δ

其中，γ为绝热气体指数，在量热完全气体的假设下γ为1.4，Ma为飞行器当前的飞行马赫数，C_p为求解压力系数，δ为来流与单元之间的夹角；

对于连续流区背风单元采用普朗特膨胀波理论进行计算：

C_P＝C_Pmax sin²δ

对于自由分子流区单元采用没有催化或化学反应的改进Maxwell碰撞模型进行计算：

其中，c_pi，c_τi分别为表面法向压力系数和切向压力系数，s为分子来流的速度比，Г_i为有关的误差函数；

对于过渡流区，采用桥函数加权法进行计算，使用桥函数对连续流区与自由流区的结果进行加权，加权方式为：