气体辐射与流场耦合对火星进入热环境影响

聂春生，聂 亮，杨 光，袁 野

(中国运载火箭技术研究院空间物理重点试验室,北京 100076)

0 引 言

火星大气环境十分稀薄，主要由95.7%的CO2、2.7%的N2和少量的Ar及其他组分组成[1]；其中，CO2气体具有多个振动模态，热化学特性复杂，对火星高速进入过程中的高温流场和热环境数值模拟提出了新的挑战。国外针对火星高温流场数值模拟开展了大量研究，McKenzie[2]，Park等[3]先后给出了不同的适用于火星高速进入问题的非平衡化学反应模型；Chen等[4]研究了化学模型、表面催化、输运参数等对火星探测器热表面热流的影响。Milos等[5]研究了探路者号进入器动加热与防热材料的相互作用。美国火星科学试验室的飞行重建数据表明火星再入过程中存在比地球环境更为显著的气体辐射加热[6]。Fujita等[7]的研究结果表明火星进入飞行器后部辐射加热和对流加热是可比拟的，并且前部的辐射加热要比后部强。Rond等[8]在激波管实验中研究了激波后的CO2-N2-Ar混合气体的非平衡辐射，试验测量了激波后的辐射通量，并与采用多温度的动力学模型和辐射代码计算的辐射热流进行比较，并对化学速率常数进行了修正。Johntson等[9]的研究结果表明火星大气的辐射机理较为复杂，波长范围很广，高温气体辐射加热是火星进入热防护设计中不确定性的主要来源之一。国内火星探测研究起步相对较晚，针对火星进入器的热环境研究公开文献较少，但也有一些学者开展过相关研究。杨肖峰等[10-11]针对火星和地球大气分子热力学和化学行为的差异性，研究探测器高速进入过程中流场的真实气体效应，获得不同气体模型条件下的气动加热规律。……