飞行器热解炭化材料烧蚀产物对等离子体流场的影响规律

聂春生,杨光,聂亮,周禹,赵良

(中国运载火箭技术研究院空间物理重点实验室,北京 100076)

0 引言

临近空间飞行器高马赫数飞行时,高温空气发生电离,形成一个非均匀等离子体包裹流场[1-2],同时飞行器外表面的防热材料会发生烧蚀,烧蚀产物通过引射和扩散效应进入流场,影响等离子体流场特性,因此准确获取等离子流场参数,必须考虑表面防热材料烧蚀产物对等离子体流场的影响[3-4]。

国外在高温等离子体流场方面的研究较早,针对球锥再入体开展了一系列研究,最有代表的是电磁衰减测量项目(RAM)[5],整个项目进行了8次飞行试验,从理论和试验两方面研究了等离子鞘套对再入体通信系统的影响,其中第1次和第2次飞行试验端头采用碳酚醛烧蚀材料,开展了表面材料烧蚀产物对等离子体流场的影响研究,但相关结果公开发表的很少。数值研究方面,Bhutta等[6]最先将数值方法引入烧蚀产物对高温非平衡流场的影响研究;Lewis等[7]利用抛物化Narier-Stokes(N-S)方程数值研究了泰氟隆材料烧蚀产物对高温流场的影响;Bianchi等[8-9]对电弧风洞中的球锥模型石墨烧蚀流场进行了计算分析;Keenan等[10]针对半球和钝锥体外形,数值研究了碳碳材料烧蚀与流场的耦合的影响;Thomas等[11]建立了高超声速平衡烧蚀再入三维模拟程序。

国内还没有开展专门针对高温等离子体流场研究的飞行试验,但在地面风洞环境中开展了一些研究工作。袁野等[12]在高频等离子体风洞中研究了碳/碳和碳/炭化锆两种复合防热材料烧蚀情况下对下游流场的影响;聂春生等[13]在高频等离子体风洞中开展了纯碳-碳材料烧蚀对球锥体等离子体流场的影响研究。……