大型航天器离轨再入气动融合结构变形失效解体落区数值预报与应用

发布时间：2024-05-22 01:32

　　准确可靠求解大型航天器服役期满离轨再入跨流域气动环境与金属(合金)桁架结构变形失效解体非线性力学行为,是解决航天器失联无控或受控再入坠毁飞行航迹落区数值预报软件研制的关键基础。在求解Boltzmann模型方程的气体动理论统一算法(GKUA)基础上,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量,引入能量模式配分函数和非弹性碰撞松弛数,确立了描述复杂飞行器跨流域高超声速流动非平衡输运现象统一Boltzmann模型方程,构造了直接捕捉Boltzmann模型速度分布函数演化更新数值格式,提出了离散速度空间区域分解大规模并行计算策略与高效数据通信模型,建立了稳定运行数万CPU核求解大型航天器离轨再入跨流域气动力/热环境高性能并行算法。针对无控航天器非常规再入问题,提出瞬态热传导方程与材料热弹性动力学方程耦合数学模型,建立了强气动力热环境致结构变形热力响应有限元算法,发展了适于高超声速再入气动环境与结构热力耦合计算技术。通过对竖直平板、中空球体、类天宫飞行器高超声速流场计算与结构响应变形非线性力学行为一体化计算验证,证实统一算法大规模并行计算策略与热力响应变形有限元...

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【部分图文】：

图1大型航天器离轨再入气动/结构响应熔融解体过程示意

近地轨道高度300～1000km运行的板舱桁架结构大型航天器(空间实验室、货运飞船、空间站等),服役期满或失效时,如已处于失联无控飞行状态的欧洲最大对地观测卫星ENVISAT,将面临发生可能危及其他航天航空器的碰撞、再入坠毁航迹预示、人财物安全评估、危害性分析与处置等问题[1-....

图3高超声速再入Kn∞=0.01、Ma∞=8.3666竖直钢板绕流场温度等值线GKUA与内部温度分布FEM计算验证

为了准确可靠模拟航天器再入中高超声速气动力/热环境致金属(合金)桁架结构材料内部温度分布与响应变形、热损毁等非线性力学行为,需要将动态热力耦合响应有限元计算方法(FEM)与求解Boltzmann模型方程气体动理论统一算法(GKUA)相结合,发展一体化耦合模拟技术。为简单起见,这里....

图5类天宫两舱体H=65.2km、Kn∞=5.1×10-5、Ma∞=12.5、α=25°流场及气动力系数计算与实验比较验证

为确认求解Boltzmann模型方程统一算法对大型航天器陨落再入过程跨流域气动并行计算的精度和可靠性,对长度Lref=10.409m、最大直径Dref=3.452m的类天宫飞行器两舱体近连续过渡流区两个绕流状态H=65.2km、Ma∞=12.5、Kn∞=5.1×10-5(....

图7类天宫飞行器H=120～100km、V∞=7.6km/s强气动力热环境致结构温度变化和稳态变形

依靠跨流域空气动力学模拟方法计算得到类天宫飞行器陨落再入飞行绕流物面压力、热流分布,使用第4节介绍的气动环境与结构变形/失效解体非线性力学行为一体化模拟手段,就可实时计算得到结构温度增量与位移变形,图7(a)、(b)分别绘出类天宫飞行器陨落至H=120km、110km时的物面....

本文编号：3980203