一种高速飞行状态下的飞行器电磁特性建模方法技术

本发明专利技术涉及一种高速飞行状态下的飞行器电磁特性建模方法：构建建模工况；建立高超声速飞行器的流场模型，所述流场模型包括高超声速飞行器N

【技术实现步骤摘要】
一种高速飞行状态下的飞行器电磁特性建模方法


[0001]本专利技术属于目标特性研究领域，具体涉及一种高超声速飞行器飞行状态下的电磁特性建模方法。

技术介绍

[0002]近年来，高速飞行器技术在军用和民用领域快速发展，其典型代表是临近空间高超声速飞行器技术。高超声速飞行器高速再入大气层时，由于强烈的激波压缩和粘性摩擦作用，飞行器周围的温度迅速升高，使空气发生离解和电离，也使防热材料被烧蚀，使得在再入体周围形成十分复杂的、由几十种化学组分组成的高温等离子体鞘套，并在尾部形成等离子体尾迹，这使得高超声速飞行器特性具备很多独有的特性，常规的空气流场建模方法也不再使用。
[0003]主要原因是以下几点：
[0004](1)、高速飞行使得高超声速飞行器周围流场存在负载的热化学非平衡耦合效应，常规的流场计算方法无法对该过程进行有效计算。
[0005]超声速流动并非普通超声速可压缩流动在Mach数上的简单延拓，其特性更为复杂。在极高速飞行条件下，自由来流经飞行器产生的激波强烈压缩后，大量动能转化为热能，粒子平动温度急剧升高。一方面，自由来流中各组分粒子的内能模态受高温激发，甚至产生热辐射，同时由于粒子间相互碰撞频率较低，内能模态激发过程往往伴随着热非平衡松弛现象；另一方面，各组分粒子之间发生化学反应，包括离解、中性交换，以至结合性电离和电子碰撞电离等。上述内能模态激发和松弛过程与高温化学反应之间存在强烈的耦合作用，统称为热化学非平衡耦合效应。高超声速飞行器等离子体流场的特殊性分析如附图 1所示。
[0006]在常规的流场建模方法中，主要是利用描述质量守恒的连续方程和动量守恒方程求解流场特性，在此基础上以目标的几何特性为边界条件，进行流场的CFD仿真，进而获取目标的电磁特性。这种方法的计算实际上忽略了复杂的热化学非平衡耦合效应。而在高超声速飞行器周围的流场中，热化学非平衡耦合效应很强，已经无法忽略。
[0007](2)、等离子鞘套与电磁波相互作用，对高超声速飞行器的目标特性产生较大影响。
[0008]由于等离子鞘套的存在，高超声速飞行器的雷达截面就不只由目标本体引起，而是包括等离子体鞘套的贡献。由于再入过程中，等离子体鞘套的物理化学特性变化非常剧烈，因而导致再入目标的目标特性也出现剧烈变化。必须考虑等离子鞘套的影响，才能对高超声速飞行器的电磁特性进行准确计算。
[0009](3)、电磁波对等离子鞘套进行探测时，会使得等离子鞘套的温度升高，进而影响高超声速飞行器的电磁特性。
[0010]由于等粒子体场的存在，高功率微波对其进行电磁探测时，电磁波会对等粒子体进行加热，进而使得流场和电磁场之间的作用相互耦合，会明显影响高超声速飞行器的电
磁特性。

技术实现思路

[0011]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的补足，提供一种高超声速飞行器飞行状态下的电磁特性建模方法，对高超声速飞行器动态飞行过程进行精细化建模仿真。
[0012]本专利技术解决技术的方案是：一种高速飞行状态下的飞行器电磁特性建模方法，该方法包括如下步骤：
[0013](1)、构建建模工况：包括高超声速飞行器的几何构型、材料特性，以及高超声速飞行器高速飞行状态下的飞行马赫数、飞行高度；
[0014](2)、建立高超声速飞行器的流场模型，所述流场模型包括高超声速飞行器N
S
种组分构成的混合气体中各组份连续方程、总连续方程、总动量方程式和总能量方程；
[0015](3)、根据步骤(2)建立的高超声速飞行器的流场模型，求解高超声速飞行器表面等离子体的流场分布参数，包括温度T的空间分布和每一种组分密度ρ
s
,s＝1～N
s
，并从组分密度中获得电子浓度n
e
和中性粒子浓度n
m
；
[0016](4)、根据温度T、电子浓度n
e
和中性粒子浓度n
m
，获取高超声速飞行器表面等离子鞘套的介电常数ε
r
和电导率σ(ω)的空间分布；
[0017](5)、利用步骤(1)中的高超声速飞行器的材料特性和几何特性，得到高超飞行器本体介电常数ε
r
'和电导率σ(ω)'的空间分布，将二者在空间上叠加，计算得到高超飞行器整体的介电常数ε
r”和电导率σ(ω)”；
[0018](6)、计算探测电磁波对高超声速飞行器表面等离子鞘套的加热量，并叠加在高超声速飞行器的流场模型中总能量方程的辐射能量源项ω
r
中，重复步骤 (2)-步骤(6)直到探测电磁波的持续时间结束，进入步骤(7)；
[0019](7)、根据上述步骤确定的高超飞行器整体的介电常数ε
r”和电导率σ(ω)”，计算得到总体的雷达反射截面积，用作雷达发射功率的确定。
[0020]第s种组分连续方程满足：
[0021][0022]其中，x
j
,j＝1,2,3表示笛卡尔直角坐标系的任一坐标轴方向，不同的j值代表空间的不同方向，ρ
s
表示第s种组分密度，t表示时间，u
j
表示j向流速，ρ表示空气组分总密度，D
s
为第s种组分质量扩散系数，Y
s
为第s种组分质量分数； N
S
为混合气体组分总数目。
[0023]所述总连续方程为：
[0024][0025]其中，x
j
表示笛卡尔直角坐标系的任一坐标轴方向，不同的j值代表空间的不同方向，t表示时间，u
j
表示j向流速，ρ表示空气组分总密度。
[0026]所述总动量方程为：
[0027][0028]其中，τ
ij
为分子粘性应力，p为流体静压；
[0029]δ
ij
为Kronecker符号；
[0030][0031]所述总能量方程为：
[0032][0033]其中，e和h分别表示总比能和总比焓，η为总热导率；h
s
和M
s
分别表示第 s种组分的绝对焓(感受焓和生成能之和)和分子摩尔质量；T为温度，ω
r
为辐射能量源项，η
tr
、η
v
和η
e
分别为对应平动-转动温度T、振动温度T
v
和电子温度T
e
的热导率，在热力学平衡态下T＝T
v
＝T
e
；Y
s
是第s种组分质量扩散系数。
[0034]所述第s种组分质量扩散系数Y
s
：
[0035][0036]所述步骤(4)的具体步骤如下：
[0037](S4.1)、利用温度T、电子浓度n
e
和中性粒子浓度n
m
，计算获得等离子体频率ω
p
和电子的碰本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速飞行状态下的飞行器电磁特性建模方法，其特征在于包括如下步骤：(1)、构建建模工况：包括高超声速飞行器的几何构型、材料特性，以及高超声速飞行器高速飞行状态下的飞行马赫数、飞行高度；(2)、建立高超声速飞行器的流场模型，所述流场模型包括高超声速飞行器N
S
种组分构成的混合气体中各组份连续方程、总连续方程、总动量方程式和总能量方程；(3)、根据步骤(2)建立的高超声速飞行器的流场模型，求解高超声速飞行器表面等离子体的流场分布参数，包括温度T的空间分布和每一种组分密度ρ
s
,s＝1～N
s
，并从组分密度中获得电子浓度n
e
和中性粒子浓度n
m
；(4)、根据温度T、电子浓度n
e
和中性粒子浓度n
m
，获取高超声速飞行器表面等离子鞘套的介电常数ε
r
和电导率σ(ω)的空间分布；(5)、利用步骤(1)中的高超声速飞行器的材料特性和几何特性，得到高超飞行器本体介电常数ε
r
'和电导率σ(ω)'的空间分布，将二者在空间上叠加，计算得到高超飞行器整体的介电常数ε
r”和电导率σ(ω)”；(6)、计算探测电磁波对高超声速飞行器表面等离子鞘套的加热量，并叠加在高超声速飞行器的流场模型中总能量方程的辐射能量源项ω
r
中，重复步骤(2)-步骤(6)直到探测电磁波的持续时间结束，进入步骤(7)；(7)、根据上述步骤确定的高超飞行器整体的介电常数ε
r”和电导率σ(ω)”，计算得到总体的雷达反射截面积，用作雷达发射功率的确定。2.根据权利要求1所述的一种高速飞行状态下的飞行器电磁特性建模方法，其特征在于第s种组分连续方程满足：其中，x
j
,j＝1,2,3表示笛卡尔直角坐标系的任一坐标轴方向，不同的j值代表空间的不同方向，ρ
s
表示第s种组分密度，t表示时间，u
j
表示j向流速，ρ表示空气组分总密度，D
s
为第s种组分质量扩散系数，Y
s
为第s种组分质量分数；
NS
为混合气体组分总数目。3.根据权利要求1所述的一种高速飞行状态下的飞行器电磁特性建模方法，其特征在于所述总连续方程为：其中，x
j
表示笛卡尔直角坐标系的任一坐标轴方向，不同的j值代表空间的不同方向，t表示时间，u
j
表示j向流速，ρ表示空气组分总...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢铮，刘帅，姜宇，周川杰，吴明轩，周东强，张超，张磊，杨冬，王京盈，张涛，胡伟东，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：