火星进入气体辐射加热预测模型与机理研究

Accurate gas radiative heating assessment is a guarantee of reliable design of thermal protection system of Mars entry vehicles. Concentrated on entry in Martian atmosphere, gas radiation models and prediction techniques of computation and experiment will be developed, and the mechanism of gas radiative heating will be analyzed. It is mainly composed of three parts. First, the computational model and methods of gas radiation for Martian atmosphere. To improve the non-equilibrium flow computing methods of Mars entry, to develop Mars atmospheric gas radiation characteristics model and calculation methods, and to build Mars entry flow radiation coupled computation system. Second, the quantitative gas radiation test technology of Martian atmosphere. To carry out equivalent radiation ground experiment in simulated gas environment of Mars, to obtain the absolute amount of radiation intensity by calibration of the optical test system. Finally, by quantitative comparison between computation and test results of gas radiation, a reliable prediction software for gas radiative heating on Mars entry vehicles will be established. The mechanism and sensitivity study of gas radiation heat will be implemented on typical Mars entry vehicle, to learn the impact of flow radiation coupling, the regularity of radiative heating on typical parts, and the sensitive parameter of radiation heat and its influence degree. The radiation prediction system based on computation and test techniques, and mechanism understanding of radiative heating of Mars entry will provide a strong technical support for our Mars explorations.

准确的气体辐射加热预测是火星进入器热防护系统可靠设计的保证。针对火星进入气体辐射问题，建立和完善流动与气体辐射模型，发展数值和实验预测技术，开展气体辐射加热机理分析。主要包括三个部分，一是适用于火星大气的气体辐射预测模型与方法。完善火星进入非平衡流动计算方法，发展火星大气气体辐射特性模型和计算方法，构建火星进入流动辐射耦合计算系统；二是火星大气环境的气体辐射定量化测试技术。开展模拟火星大气环境的辐射等效地面实验，通过光学测试系统标定获取辐射绝对量；最后，通过气体辐射计算和试验结果的定量比较，建立可靠的火星进入气体辐射加热预测软件。以火星进入器为对象，开展气体辐射加热机理研究和敏感性分析，掌握流动辐射耦合机理与影响、进入器典型部位辐射加热规律与机制和辐射加热的敏感性参数和影响度。火星进入气体辐射计算技术和测试技术构成的预测系统和气体辐射加热的机理认识，将为我国火星探测提供有力的技术保障。

我国天问一号已成功实现登陆火星，未来必将进行更复杂的火星探测任务，这就需要更大尺寸更大重量的进入器，参考美国火星探测经验，大尺寸进入器的气动辐射加热将不可忽视，且其产生机制和影响规律均与地球再入不同，因此，对火星大气环境大尺寸进入器的气动辐射效应开展模型、机理和方法研究具有重要的科学和工程价值。本项目针对火星进入气动辐射问题，主要完成了4个方面的研究内容：（1）建立和完善火星大气高温热化学非平衡流动模型与计算方法，基于地面和飞行试验结果完成验证，通过流场特征分析掌握气动辐射产生源头；（2）建立火星大气气体辐射特性模型和计算方法，完成火星大气辐射定量化测试技术，通过模拟火星环境的辐射强度地面测试数据，验证了火星进入光谱计算可靠性与准确性；（3）发展基于有限体积法和光线追迹法的辐射传输计算方法，实现火星进入流动辐射耦合预测，准确描述了耦合冷却效应及对飞行器流场和热环境的影响规律；（4）针对典型火星进入器开展沿弹道的气体辐射计算和分析，掌握气动辐射效应在不同空域不同速度下的影响规律和机制，同时获取进入器表面在不同状态下的热流分布规律。以上研究工作率先实现了我国火星进入环境的气动辐射研究，建立了准确的辐射预测手段，获得了火星高温流动气体辐射光谱数据，不仅可为将来相关研究提供参考和验证数据，更能够直接应用于我国未来的火星进入器防热系统设计。