极高超声速再入稀薄气体电离效应数值算法及应用研究

Rarefied atmosphere ionization effect is an inevitable challenge in space vehicle reentry with increasing speed, and lays the foundation for plasma feature as well as radiation characteristics study of surrounding media. This project aims to develop DSMC simulation method for rarefied atmosphere ionization effect in extremely high speed reentry, establishes numerical simulation platform RASI for rarefied ionization environment, seeks to lay the foundation for ionization simulation of high speed space vehicle reentry, and provides technique support for thermodynamics and ionization feature prediction of space vehicle reentry in rarefied transition regime.

稀薄气体电离效应是航天器再入速度持续增大不可避免的严峻挑战，是绕流介质等离子体特性和辐射特性研究分析的基础。本项目致力于发展极高超声速稀薄气体电离效应的DSMC模拟方法，搭建稀薄气体电离环境数值模拟平台RASI，尝试为航天器极高速再入条件下的电离现象模拟难题奠定基础，为航天器再入稀薄过渡流区的气动和电离特性预测分析提供技术支持。

随着探月、深空探测等活动的深入进行，航天器再入速度持续增大，绕流气体严重热化学非平衡，形成弱等离子体鞘套，传统上发生在连续流区的通信黑障大幅向稀薄过渡流区延伸。事实上，稀薄气体的电离特性预测一直是学术和工程上的难题。基于这一考虑，本项目发展了稀薄气体电离特性数值模拟的DSMC方法，特别是提出了稀有组分权重因子方法和稀薄弱等离子体效应数值处理方法，在此基础上建立了基于MPI的复杂外形飞行器电离特性DSMC并行模拟平台。经与低密度风洞实验、RAM-C II和Stardust的文献计算结果对比，本项目发展的相关算法，能大幅抑制稀有组分的统计涨落，同时不影响流场宏观参数计算，引入的计算量增大完全可以忽略。首次分析了探月返回试验器的稀薄过渡流区电离特性，对第一次再入、第一次跳出、第二次再入的等离子体特性进行了深入分析，通信中断发生高度的数值预测结果与飞行试验观测值误差在2km以内。本项目发展的方法及建立的数值模拟平台，在探月、深空探测等第一宇宙速度以上的航天器以及未来航空、极高速导弹等飞行器的气动特性分析中具有广泛应用前景，也将为后续开展稀薄气体辐射特性数值模拟研究奠定基础。