火星进入器气固界面效应和气动加热数值模拟研究

Mars exploration mission is the hot spot of the international space exploration activities. The precise prediction of complex aerodynamic heating in the Martian environment is one of the essential issues to be solved for the thermal protection system design and the structure reliability evaluation for the Mars entry capsule..The numerical problem of the gas-solid interface effect is one of the key factors for Mars entries. Considering the particularity of the Martian dissociated gas environment and the new thermal protection materials, the interaction mechanism will be theoretically studied on the gas-solid interface, and interface models will be established for numerical simulations and validated by comparing with the foreign experimental data. On this basis, the foremost factors which influence hypersonic Martian aeroheating will then be deeply discussed, and the main effects on the Martian aeroheating will finally be analyzed. The mechanism investigation herein can improve the prediction accuracy of hypersonic Martian gas aeroheating to a large extent. The present work can provide essential technical supports for light-weight design of the thermal protection system of future Mars entry capsules in China.

火星探测是当前国际深空探测活动的热点。火星环境复杂气动加热的有效预测是火星进入器热防护系统设计和结构安全可靠性评估所亟需解决的关键问题之一，而火星进入气固界面效应及其数值模拟问题是影响这一问题解决的重要因素。项目针对火星离解大气与新型防热材料的新特点，采用理论分析、数值模拟并与国外实验作对比的研究手段，开展气固界面的相互作用机理、界面数理建模和影响规律研究。通过项目研究，获得火星离解大气的近壁面物理化学行为及考虑材料的烧蚀控制机制的界面质量/动量/能量平衡方程，建立可精确预测火星进入器非平衡气动热环境的高保真的有限速率紧耦合的复杂气固界面模型，发展与之相应的数值预测方法，揭示影响进入段非平衡气动加热的主要因素及其作用规律，从而有效提高火星进入气动热环境的预测精度，为我国火星进入器的热防护系统轻量化设计提供理论依据和技术支撑。

火星探测是当前国际深空探测活动的热点。火星进入环境复杂气动加热的有效预测是火星进入器热防护系统设计和结构安全可靠性评估所亟需解决的关键问题之一，而火星进入气固界面效应及其数值模拟问题是影响这一问题解决的重要因素。.本项目针对火星离解大气与新型防热材料的新特点，采用理论分析、数值模拟并与国外实验作对比的研究手段，开展了火星环境气固界面的物理化学作用机理及气体/表面相互作用表征、考虑界面多种热物理/热化学效应的气动加热预测的界面模型和复杂界面条件下非平衡气动加热影响因素及作用规律研究。.在本项目研究中，通过理论分析获得了火星大气（CO2）高温离解气体的近壁面物理化学行为和和材料表面催化氧化反应机制，推导了考虑材料的催化、氧化和烧蚀控制机制的界面质量、动量和能量平衡方程，建立了可精确预测火星进入器非平衡CO2气流气动热环境的高保真有限速率紧耦合的界面模型和CFD粘性壁面边界条件，并发展与之相应的可压缩流动数值预测方法。.结合项目研究目标，完成了高焓CO2气流壁面两步催化机制对非平衡气动加热影响的数值模拟以及考虑化学非平衡效应的对流换热特性耦合模拟。通过数值模拟，揭示了气固界面效应（界面温度、化学活化能、反应类型和路径等）对进入段非平衡气动加热的主要影响规律。.本项目所建立的界面模型及相关预测方法，有效提高了火星进入气动热环境的预测精度，在高超声速空气动力学与表面物理化学交叉融合发展方面具有重要的学术和科学意义，为我国火星进入器的热防护系统轻量化设计提供理论依据和技术支撑。