高超声速返回舱气动热数值模拟与边界条件研究

"高超声速下返回舱气动热的数值计算" 文章详细阐述了针对高超声速环境下载人飞船返回舱气动热的数值计算方法。作者张钧波、张敏和刘心志利用非结构化网格和有限容积方法进行了计算，这种方法对于处理复杂几何形状如返回舱的流体力学问题具有较高的灵活性和精确性。在高超声速连续流中，返回舱外部的热通量分布是通过费-里德尔（Fay-Riddell）和李斯（Lees）的工程近似方程来估算的，这些方程常用于对流和辐射热的边界条件建模。 返回舱的内部温度场分布则通过求解在不同马赫数下的热传递问题得到。文章指出，返回舱的外形优化设计至关重要，因为这直接影响到其安全性和经济性。以球冠倒锥形设计为例，这种形状能够有效地减小锥面的热流率，因为热流密度与曲率半径成反比，曲率半径越大，热流率越小，从而有助于保护返回舱免受高热损伤。 文章以2008年俄罗斯“联盟”号载人飞船返回舱事故为例，强调了气动热管理的重要性。在那次事故中，返回舱的天线和隔热罩遭到破坏，宇航员受到伤害。这突显了对返回舱设计和热防护系统的深入研究与优化的必要性。 此外，文中提到了几种世界知名的小升阻比载人飞船返回舱，如星座号、阿波罗号、联盟号以及中国的神州号，它们均采用了球冠倒锥形设计。作者利用自己开发的软件进行了数值模拟，旨在更全面地理解返回舱在高超声速条件下的气动热行为，以便为未来返回舱的设计提供指导。 该文深入探讨了高超声速下返回舱气动热的计算方法和热防护设计，通过数值模拟为返回舱的安全可靠性和经济性提供了理论基础。这项工作对于提升载人航天器在极端环境下的生存能力和性能具有重要意义。