Моделирование обтекания свободномолекулярным потоком космического аппарата с воздушным электрореактивным двигателем

Abstract

Наличие остатков атмосферы на сверхнизких орбитах $H = 100$---$200$ км, где должен функционировать космический аппарат с прямоточным воздушным электрореактивным двигателем (КА с ПВЭРД) обуславливает необходимость выполнения газодинамических расчeтов для более точного моделирования динамики его движения по орбите. В соответствии с исследуемыми процессами такие расчeты могут быть разделены на 2 типа: обтекание внешних обводов КА потоком разреженного газа и его течение во внутреннем канале ПВЭРД. В первом случае оцениваются моменты и силы, действующие на КА при движении по орбите, исследуются пути снижения аэродинамического сопротивления, рассматриваются варианты управления движением КА отклонением управляющих поверхностей. Во втором случае изучается течение газа внутри входного устройства и накопителя, рассчитываются основные параметры (давление, скорость и концентрация частиц вдоль продольного внутреннего канала), анализируется их влияние на работу двигателя. Оба типа расчeтов позволяют оценить возможность функционирования КА с ПВЭРД на низких орбитах, их результаты являются выходными данными для теоретического анализа динамики движения КА по орбите. В данной работе рассматривается параметрически определяемая геометрия КА с ПВЭРД в виде проточного канала (состоящего из конфузорной и цилиндрических частей с сотовым заполнителем на входе) с прикрепленными к нему плоскими солнечными панелями. Основной результат исследования - оценка характеристик выбранной аэродинамической компоновки КА, частью которой является пассивный воздухозаборник двигательной установки. Оценен вклад с точки зрения аэродинамики отдельных частей КА. Расчeты выполнялись с помощью метода прямого численного моделирования Монте-Карло (DSMC), численная модель верифицирована с помощью аналитических соотношений для простых форм.