航天器姿控发动机真空羽流场计算及其扰动分析

《航天器姿控发动机真空羽流场计算及其扰动分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、第28卷第5期航天器环境工程20lI{{i10』JSPACECRAFTENVIRONMENTENGINFERING431航天器姿控发动机真空羽流场计算及其扰动分析史纪鑫(北京空间飞行器总体设计部，北京100094)摘要：航天器姿态控制发动机工作期间，产生的羽流扰动力矩会影响控制精度，对流和辐射产生的热效应会影响热控系统工作，羽流沉积物会影响光学敏感器的精度。文章以某航天器的20N姿控发动机为例，首先采用工程的MOC方法计算其真空羽流场；然后利用建立的航天器羽流三维冲击模型分析了羽流对太阳电池阵的冲击载荷；

2、最后对发动机羽流脉冲激励下太阳电池阵的响应和姿态控制系统受到的扰动力矩进行了仿真分析。结果表明姿控发动机羽流脉冲激励将对控制精度和稳定度产生不可忽视的影响。关键词：航天器；真空羽流；冲击载荷；扰动分析中图分类号：V211．1+7；TBll5文献标识码：A文章编号：1673-1379(2011)05-0431-05DoI：10．3969／j．issn．1673—1379．2011．05．0050引言航天器需要通过各种姿轨控发动机完成变轨、调姿、位置保持、轨道转移等任务。其中姿态控制发动机工作期间，产生的羽流

3、撞击航天器表面，将对光学表面、热控涂层以及太阳电池阵表面造成损害，直接影响航天器的工作性能和寿命。真空羽流对航天器的影响主要体现在：1)羽流撞击作用产生的扰动力和力矩会影响航天器姿态控制精度和稳定度；2)羽流产生的热效应会影响热控系统的正常工作，甚至导致航天器热过载而使元件受损；3)羽流沉积于航天器表面造成表面污染，会降低太阳电池阵的转换效率，影响光学系统成像质量，改变热控表面涂层的发射率和吸收率。针对真空羽流产生的危害，国内外都在开展相关的研究工作。国外研究经验表明，要准确评估真空羽流对航天器的作用，需

4、要精确描述发动机的真空羽流场，可采用数值模拟和试验两种研究方法。真空羽流场的状态很复杂，包括连续介质流区、过渡流区域和自由分子流区域，必须针对不同的流动状态建立相应的数学物理模型，并采取与之相适应的数值模拟方法。20世纪60年代初期，由于羽流问题的复杂性和计算条件的限制，人们只能采用简单的半经验工程算法，其中比较著名的有Hill．Jarbinen模型【I】、Simons模型【21和特征线法(MOC)[31等。随着计算机技术的发展，数值模拟羽流技术得到高速发展。针对连续介质流区域，发展了基于差分方法求解Na

5、vier-Stokes方程(N．S方程)的计算流体动力学(CFD)算法；针对过渡流和自由分子流区域，Bird提出了直接模拟蒙特卡罗法(DSMC)【4】，并成功用于羽流仿真研究。国内外数值仿真和试验结果表明，DSMC法可以准确模拟发动机真空羽流场，但是对计算机的要求很高而限制了其应用。对于精度要求不高的工程问题，Simons模型和特征线法均可得到满意的结果【51。本文以某航天器的20N姿控发动机为例，首先采用工程的MOC方法计算其真空羽流场；然后利用建立的航天器羽流三维冲击模型分析了羽流对太阳电池阵的冲击载

6、荷；最后对发动机羽流脉冲激励下太阳电池阵的响应和姿态控制系统受到的扰动力矩进行了仿真分析。1姿控发动机真空羽流场模拟1．1羽流场的理论模型对流动气体的建模可以采用宏观和微观两种方法。宏观建模是将气体看作连续介质，用N．S方程对气体流场进行建模分析；而微观建模是把气体看作由无数离散的分子组成，用Boltzmann方程对流场进行描述，采用DSMC方法进行数值求解或者采用工收稿日期：201I-07．26；修回日期：2011．08．22作者简介：史纪鑫(1978-一)，男，高级工程师，主要从事航天器动力学与控制研

7、究。E-maihshijixin78@sina．com。航天器环境工程第28卷程模型进行近似求解口。”。通常采用分子运动特征尺度与流动特征尺度的比值即克努森数(西1)作为连续流描述的判断准则：1)Kn10为自由分子流区域，可以仅考虑分子与物体的相互作用，忽略气体分子之间的碰撞，从而使问题处理极大简化。本文对姿控发动机羽流场模拟采取分段处理：在发动机喷管内，采

8、用有限差分方法(FDM)求解N．S方程：在喷管外的连续流区域，采用MOC方法：在喷管外的自由分子流区域，采用点源模型进行模拟。有限差分法是基于经典的CFD方法，将求解区域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解区域：将偏微分方程的导数用差商代替，推导出个数有限的离散点商的差分方程组：求解出差分方程组的解，即获得微分方程的数值近似解。MOC方法实质上是用气体动力学方法对多羽流场进行数值模拟，比较适合模拟流场的连续介质区域。