进入火星大气的非平衡效应和修正模型研究

Aimed to Martian atmosphere entry for deep space exploration in the future, analysis of difference of aerodynamic environment between Martian atmosphere and Earth atmosphere will be done, in the hypersonic entry phase of entry-descending-landing process. Gas species model, thermal-dynamic model and chemical reaction model will be set up for Mars entry vehicles, and will be validated according to available flight data of Viking; based on simulations, reduced chemical reaction model will be explored; for flight status in entry trajectory, impact of Martian and Earth atmosphere on aerodynamic characteristics will be compared to show the effect of Mars gas species and chemical reactions; for flow status in typical experiment, variation of aerodynamic characteristics obtained with Martian atmosphere and experiment condition will be observed to gain the correction model for experiment data with air as test gas. With models, validations and regularity analysis, the better understanding of Mars entry is hoped to reach, the correction model for engineering is hoped to seize, to serve future exploration program.

面向国家深空探测对基础技术储备的需求，以火星大气进入为背景，分析火星大气环境下飞行器进入-下降-着陆过程高超声速进入段，火星大气介质及其中的非平衡流动引起的与地球再入不同的气动环境。建立适用于火星大气进入问题的气体组分模型、热力学模型和化学反应动力学模型，通过气动力/热数据验证模型与计算方法，分析得到适用于火星进入的简化化学反应动力学模型；针对进入弹道比较分析火星大气与空气对进入器气动环境的影响规律，揭示火星进入与地球再入的异同；针对实验条件比较分析火星大气和空气对进入器气动环境的影响，建立火星进入飞行器在空气介质地面实验得到数据的修正模型。通过以上模型的建立与验证和规律性分析，达到对火星进入问题的认识，掌握其相比于地球再入的变化以及需要的修正，对未来的火星等深空探测计划提供技术支撑。

本项目以火星大气进入为背景，分析火星大气环境下飞行器进入-下降-着陆过程高超声速进入段的气动特征，比较火星大气介质非平衡流动与地球再入气动环境，通过数值模拟方法开展火星进入气动预测手段研究和非平衡效应研究。.通过3年的研究，本项目完成研究内容，实现研究目标，并得到以下结果。建立适用于火星大气进入问题的气体组分模型、热力学模型和化学反应动力学模型，通过气动力/热数据验证模型与计算方法。通过使用不同气体模型进行气动特性预测比较，发现火星进入气动预测应使用真实气体模型，使用等效比热比模型需要注意配平特性预测精度。获得了典型飞行器全弹道气动特性预测数据，发现Ma数对真实气体效应引起的气动特性变化量有增强作用。对火星与地球大气环境的进入器气动特性进行计算和比较，发现存在明显不同，火星大气中阻力系数高于空气，俯仰力矩系数增大，导致配平攻角减小，在空气条件下得到的气动系数必须进行CO2效应修正。典型火星进入器在小攻角时出现静不稳定性，小攻角飞行时，沿轨道出现静不稳定现象。机理分析发现，激波层内高温气体效应导致的声速线位置移动和亚声速区分布变化，以及这种变化沿轨道的周期性，是造成静不稳定的主要原因。飞行马赫数较高时，火星进入流场存在明显的壁面催化效应，热非平衡模型预测热流高于热平衡模型，且差异随马赫数增加而增加。.研究中取得的上述计算模型、方法和规律认识，已直接应用于我国火星探测任务，为设计部门提供了坚实可靠的技术支撑。