超低轨道空间飞行器气动阻力预测方法技术

本发明专利技术涉及一种超低轨道空间飞行器气动阻力预测方法，包括：建立考虑侧面阻力影响的气动阻力预测模型，模型中气动阻力系数由正向迎风面阻力系数和侧面阻力修正项构成；对常用构型飞行器在特定来流工况下的气动阻力进行数值模拟计算，获得气动阻力系数及飞行器侧面积与正向迎风面积之比，并对两者进行线性拟合，获得侧面阻力修正系数和正向迎风面阻力系数；计算目标飞行器的表面积，根据其运行的轨道高度选取来流工况，结合求解的所述正向迎风面阻力系数及所述侧面阻力修正系数，代入所述气动阻力预测模型中，求解获得来流工况下目标飞行器在轨道上所受的气动阻力。本发明专利技术极大地提高了超低轨道飞行器气动阻力预测的精度和效率。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
超低轨道空间飞行器气动阻力预测方法


[0001]本专利技术涉及飞行器气动力分析
，尤其是一种超低轨道空间飞行器气动阻力预测方法。

技术介绍

[0002]随着空间飞行技术的发展，超低轨(150km～300km)飞行器正展现着越来越多的应用前景。相较于普遍运行在400km以上的地球卫星，贴近地面的超低轨飞行器可以实现更为精确的重力梯度测量、海洋环流调查、生态环境评估、天气预报以及灾害预警。但是相较于普通地球卫星，超低轨道飞行器需要对抗的空气阻力要高出几十个数量级。空气阻力的存在极大地降低了飞行器的飞行寿命并会造成飞行器的轨道漂移，还会对飞行器的姿态控制产生严重的不利影响。为了对抗空气阻力的减速和轨道扰动，就需要能够较为精确的预测飞行阻力。
[0003]目前国际上常用的气动阻力预测公式基于阻力系数对不同高度、不同飞行速度的飞行器阻力进行预测。其中气动阻力系数定义为单位来流动压单位迎风面积上所受的阻力，主要由飞行器的基础构型经验确定。为了降低飞行阻力，传统的飞行器设计尽量减小正向迎风面积，并将飞行器设计成细长体构型。但是细长体构型的飞行器侧面积普遍较大，附加的侧面阻力甚至可以达到和正向迎风面所受阻力相当的量级。
[0004]目前的气动阻力预测方法大多仅考虑了正向迎风面所受的气动阻力，忽略了附加侧面阻力对飞行器造成的影响，预测精度普遍偏低，容易导致飞行器设计阻力和实际运行的阻力间量级差距过大，造成飞行器姿态控制系统的失效。目前常用的预测手段包括直接计算理论解和数值模拟计算。理论解求解较困难，且得到的结果过于简化，置信度不高。数值模拟运行时间长，且结果在一定范围内波动，精度不高。因此，亟需一种能提高精度和效率的预测方法解决上述问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供超低轨道空间飞行器气动阻力预测方法，解决了传统气动阻力系数只能由经验确定，预测精度较低的问题。目的是提高超低轨道飞行器气动阻力预测的精度和效率。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]本申请涉及一种超低轨道空间飞行器气动阻力预测方法，包括：
[0008]建立考虑侧面阻力影响的气动阻力预测模型：F
D
＝q
·
C
D
·
S
A
；
[0009]上式中，F
D
,q,S
A
分别为飞行器的气动阻力、来流动压、飞行器正向迎风面积，气动阻力系数其中，为正向迎风面阻力系数，为侧面阻力修正项，k为侧面阻力修正系数，S
′
A
为飞行器侧面积；
[0010]对常用构型飞行器在特定来流工况下的气动阻力进行数值模拟计算，获得一系列
气动阻力系数C
D
及对应的飞行器侧面积与正向迎风面积之比S
′
A
/S
A
，并对两者进行线性拟合，通过计算拟合直线的斜率和截距，获得侧面阻力修正系数k和正向迎风面阻力系数
[0011]计算目标飞行器的表面积，根据其运行的轨道高度选取来流工况，结合求解的所述正向迎风面阻力系数及所述侧面阻力修正系数k，代入所述气动阻力预测模型中，求解获得来流工况下目标飞行器在轨道上所受的气动阻力。
[0012]进一步技术方案为：
[0013]数值模拟时，在150km以上的超低轨道空间选取特定来流工况，所述特定来流工况用来流粒子速度、来流粒子密度、来流粒子温度和壁面温度来表征。
[0014]数值模拟时，飞行器轴向与来流气体方向平行。
[0015]所述目标飞行器的运行轨道空间为150km以上的超低轨道空间。
[0016]所述目标飞行器的来流工况用来流粒子速度、来流粒子密度来表征。
[0017]所述对常用构型飞行器在特定来流工况下的气动阻力进行数值模拟计算，获得一系列气动阻力系数C
D
及对应的飞行器侧面积与正向迎风面积之比S
′
A
/S
A
，包括：
[0018]在轨道高度和特定来流工况不变的情况下，分别针对四棱柱、六棱柱、八棱柱和圆柱结构的飞行器，在长细比1～5范围内设置多组工况，分别进行模拟计算，获得一系列气动阻力系数C
D
及对应的飞行器侧面积与正向迎风面积之比S
′
A
/S
A
。
[0019]所述数值模拟的方法采用DSMC方法。
[0020]所述线性拟合采用最小二乘线性拟合法。
[0021]本专利技术的有益效果如下：
[0022]本专利技术基于稀薄气体动力学分析，通过DSMC方法，构建了超低轨道空间飞行器气动阻力预测方法。针对每个目标飞行器，仅需对飞行器的表面积进行测量，确定轨道来流参数，即可以快速准确地预测超低轨道空间飞行器的气动阻力，具有很强的工程应用价值。
[0023]本专利技术基于稀薄气体动力学自由分子流情况下平面的受力分析，考虑了来流气体方向与飞行器壁面平行时的侧面阻力，对常用气动阻力预测公式进行了修正，提高了预测模型的合理性和精确度。
[0024]本专利技术和常规基于稀薄气体动力学理论解的预测方法相比，无需对飞行器表面气动力进行复杂的积分运算，绕开了直接求解稀薄气体动力学理论解的计算困难，提高了飞行器气动阻力的预测效率，并克服了理论解求解忽略实际情况导致误差较大的问题，提高了飞行器气动阻力的预测精度。
[0025]本专利技术针对各类常用构型飞行器在一定长细比范围内设置多种工况，分别进行模拟计算，最终获得两个阻力系数，最终利用预测模型对各种目标飞行器的气动阻力进行直接计算，计算过程简便快速。和常规模拟方法例如试验粒子蒙特卡洛(TPMC)模拟方法要求针对每个目标飞行器均需进行至少一次长时间的模拟运算相比，极大的节约了计算成本提高了效率。
[0026]本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例方法的流程图。
[0028]图2为本专利技术实施例的常用飞行器构型阻力系数和面积比的拟合结果图。
[0029]图3为本专利技术实施例的GOCE超低轨道卫星的表面结构简化图。
具体实施方式
[0030]以下结合附图说明本专利技术的具体实施方式。
[0031]参见图1，本申请的一种考虑侧面阻力的超低轨道空间飞行器气动阻力预测方法，包括：
[0032]S1、建立考虑侧面阻力影响的气动阻力预测模型，所述预测模型在常用气动力预测公式的基础上，通过引入侧面阻力修正项后得到，所述气动阻力预测公式以稀薄气体动力学自由分子流情况下平面的受力分析为基础，其理论原理为：
[0033]根据稀薄气体动力学理论，对于自由分子流中的物体表面，气体分子和物体表面进行动量交换，物体表面会受到总压力p和剪切应力τ的作用；当飞行器的飞行速度和入射流分子速本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超低轨道空间飞行器气动阻力预测方法，其特征在于，包括：建立考虑侧面阻力影响的气动阻力预测模型：F
D
＝q
·
C
D
·
S
A
；上式中，F
D
,q,S
A
分别为飞行器的气动阻力、来流动压、飞行器正向迎风面积，气动阻力系数其中，C
D0
为正向迎风面阻力系数，为侧面阻力修正项，k为侧面阻力修正系数，S
′
A
为飞行器侧面积；对常用构型飞行器在特定来流工况下的气动阻力进行数值模拟计算，获得一系列气动阻力系数C
D
及对应的飞行器侧面积与正向迎风面积之比S
′
A
/S
A
，并对两者进行线性拟合，通过计算拟合直线的斜率和截距，获得侧面阻力修正系数k和正向迎风面阻力系数计算目标飞行器的表面积，根据其运行的轨道高度选取来流工况，结合求解的所述正向迎风面阻力系数及所述侧面阻力修正系数k，代入所述气动阻力预测模型中，求解获得来流工况下目标飞行器在轨道上所受的气动阻力。2.根据权利要求1所述的超低轨道空间飞行器气动阻力预测方法，其特征在于，数值模拟时，在150km以上的超低轨道空间选取特定来流工况，所述特定来流工况用来流粒子速度、来流粒子密度、来流...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈强，周皓，董萼良，杭晓晨，李彦斌，费庆国，郑浩，
申请(专利权)人：江苏空天先进结构研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：