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在火星飞行器气动热环境的预测研究中

六月 22nd, 2019  |  科学

火星探测是人类探索宇宙秘密的又一序幕,我国继探月工程取得重大突破后,也计划2020年发射首颗登陆火星表面的探测器。飞行器热环境预测及热防护系统设计是保证飞行任务成功极其重要的一环。在火星飞行器气动热环境的预测研究中,由于对该热化学反应机理认知不足以及化学反应模型选取的不确定性,导致热环境计算误差较大,飞行器热防护系统普遍采用保守设计,极大地增加其比重并降低飞行器有效载荷。研究表明,二氧化碳离解反应是火星进入流场热化学反应机理研究的关键,其离解反应直接影响整个火星进入流场热化学反应的进程;其离解产物在飞行器热防护层表面催化复合释放的催化反应热是飞行器热防护系统所承受热载荷的重要来源。因此,开展火星进入流场二氧化碳离解反应机理研究,对于火星飞行器热环境准确预测及热防护系统设计具有重要的指导意义。

中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室余西龙研究团队针对这一关键科学问题研究取得新进展。研究人员使用高焓激波管模拟火星进入流场,针对这种极高温非平衡条件下的气体辐射特性,采用分子发射光谱测温技术及激光吸收光谱技术实现了强激波波后非平衡温度及关键离解组分一氧化碳浓度的定量测量,这是国际首次将吸收光谱应用于火星进入流场气体组分浓度测量;同时发展了能够反映火星进入非平衡流场的化学反应动力学模型,结合实验数据对该模型及化学反应速率常数进行了修正。此外,该工作对高温(”6000K,目前国际通用数据库仅到3000K)吸收光谱数据库补充和验证也极有意义。

鉴于测量方法创新性及工程应用重要性,这项工作的前期研究方案和结果被NASA
Progress in Aero. & Astro.
系列专刊澳门威尼斯,Molecular-Based Optical Diagnostics
for Hypersonic Nonequilibrium Flows

大篇幅引用,最新的研究结果发表于AIAA系列Journal of Thermophysics and
Heat Transfer
(X. lin, L. Z. Chen, J. P. Li, and X. L., Yu.
Experimental and Numerical Study of Carbon-Dioxide Dissociation for
Mars Atmospheric Entry
, 2018, 32:
503-513)。研究工作得到国家自然科学基金项目支持。

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图1 激波波后非平衡温度变化历程

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图2 激光吸收光谱应用于激波波后CO密度测量

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图3 化学动力学模型计算与光谱诊断相互印证(激波速度:7.09km/s)

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