上海交通大学学报 ›› 2022, Vol. 56 ›› Issue (8): 1089-1100.doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.014
收稿日期:
2021-01-09
出版日期:
2022-08-28
发布日期:
2022-08-26
作者简介:
王晓亮(1975-),男,山西省长治市人,副研究员,研究方向为空气动力学和飞行力学.电话(Tel.): 13472799136;E-mail: 基金资助:
WANG Xiaoliang1(), YAO Xiaosong2, GAO Shuang2, LIU Guohua2
Received:
2021-01-09
Online:
2022-08-28
Published:
2022-08-26
摘要:
以180~300 km超低轨卫星为研究对象,采用自由分子流模拟方法中可准确模拟三维复杂外形的直接模拟蒙特卡洛(DSMC)法研究了典型外形的气动阻力特性.通过不同速度率条件下圆球和平板的理论阻力系数及不同速度率下70° 钝体外形的气动实验数据与DSMC计算结果的比较, 验证了三维DSMC方法对外形和网格的适应性.针对几类典型的卫星外形的阻力特性进行了计算比较,得出压差阻力、剪切阻力、总阻力及无量纲阻力系数随高度和外形的变化特性.超低轨卫星通过外形的优化设计可降低阻力约10%,能够有效改善其在轨运行特性,且可降低对卫星自身相关系统的设计需求.
中图分类号:
王晓亮, 姚小松, 高爽, 刘国华. 超低轨卫星气动阻力特性[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(8): 1089-1100.
WANG Xiaoliang, YAO Xiaosong, GAO Shuang, LIU Guohua. Aerodynamic Drag Characteristics of Ultra-Low Orbit Satellites[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2022, 56(8): 1089-1100.
表1
圆球阻力系数理论计算结果与理论结果比较
s | 理论阻 力系数 | 大气密度×1011/ (kg·m-3) | 温度T/K | 截面积/m2 | 来流速度/ (m·s-1) | DSMC 阻力/N | DSMC 阻力系数 | 误差/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
5 | 2.3155 | 3.11 | 976 | 0.0314159 | 3742.732 | 0.00001510 | 2.2077845 | -4.65 |
6 | 2.2521 | 3.11 | 976 | 0.0314159 | 4491.278 | 0.00002126 | 2.1586418 | -4.15 |
7 | 2.2094 | 3.11 | 976 | 0.0314159 | 5239.824 | 0.00002857 | 2.1312483 | -3.54 |
8 | 2.1788 | 3.11 | 976 | 0.0314159 | 5988.371 | 0.00003692 | 2.1086354 | -3.22 |
9 | 2.1559 | 3.11 | 976 | 0.0314159 | 6736.917 | 0.00004644 | 2.0956899 | -2.79 |
10 | 2.1381 | 3.11 | 976 | 0.0314159 | 7485.463 | 0.00005711 | 2.0875266 | -2.37 |
表4
70° 钝体计算与实验结果比较
迎角/(°) | 实验轴向力系数 | 实验法向力系数 | DSMC计算的 轴向力系数 | DSMC计算的 法向力系数 | 轴向力系数 误差/% | 法向力系数 误差/% |
---|---|---|---|---|---|---|
0 | 1.657000000 | 0 | 1.728949582 | -0.000761428 | 4.34216 | — |
5 | 1.627769041 | 0.085193605 | 1.713213399 | 0.080889053 | 5.16964 | -5.05270 |
10 | 1.613559729 | 0.149462371 | 1.687071032 | 0.153224730 | 4.46260 | 2.51726 |
15 | 1.567301431 | 0.212901910 | 1.639862485 | 0.227159406 | 4.51641 | 6.69674 |
20 | 1.530410268 | 0.292043509 | 1.576663946 | 0.302286986 | 2.51391 | 3.50752 |
30 | 1.402148382 | 0.435407757 | 1.421332598 | 0.457364525 | -0.74490 | 5.04281 |
表7
不同高度的大气参数
参数 | 轨道高度/km | |||
---|---|---|---|---|
150 | 200 | 250 | 300 | |
速度/(m·s-1) | 7817.23 | 7788.43 | 7758.97 | 7729.83 |
分子个数 | 5.19×1016 | 7.18×1015 | 1.91×1015 | 6.51×1014 |
温度/K | 634.39 | 854.56 | 941.33 | 976.01 |
N2分子个数占比 | 0.603 | 0.407 | 0.255 | 0.147 |
N2分子直径/m | 3.64×10-10 | 3.64×10-10 | 3.64×10-10 | 3.64×10-10 |
N2分子质量/kg | 4.65116×10-26 | 4.65116×10-26 | 4.65116×10-26 | 4.65116×10-26 |
O原子个数占比 | 0.397 | 0.593 | 0.745 | 0.853 |
O原子直径/m | 1.73×10-10 | 1.73×10-10 | 1.73×10-10 | 1.73×10-10 |
O原子质量/kg | 2.65781×10-26 | 2.65781×10-26 | 2.65781×10-26 | 2.65781×10-26 |
表9
不同外形卫星的阻力和阻力系数
外形 | 体积/m3 | 侧面积/m2 | 截面积/m2 | 压差阻力/N | 剪切阻力/N | 总阻力/N | 体积阻力 系数 | 横截面阻力 系数 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
圆柱 | 3.926991 | 15.70796 | 0.785398 | 1.25×10-2 | 6.98×10-3 | 1.95×10-2 | 1.01927693 | 3.2303 |
八面 | 3.535534 | 15.30734 | 0.707107 | 1.12×10-2 | 6.92×10-3 | 1.81×10-2 | 1.01422448 | 3.3288 |
六面 | 3.247595 | 15 | 0.649519 | 1.03×10-2 | 6.72×10-3 | 1.70×10-2 | 1.00931267 | 3.4078 |
四面 | 2.5 | 14.14214 | 0.5 | 7.89×10-3 | 6.26×10-3 | 1.41×10-2 | 0.99701373 | 3.6730 |
表10
不同锥度星体计算结果
r/l | 压差阻力/N | 剪切阻力/N | 总阻力/N | 横截面积 阻力系数 | 以2.1030为 参考的比率/% | 计算表面 网格数 |
---|---|---|---|---|---|---|
1/0.25 | 0.1577×10-1 | 0.9369×10-3 | 0.1671×10-1 | 2.1030 | 100.0000 | 9544 |
1/0.5 | 0.1342×10-1 | 0.3164×10-2 | 0.1658×10-1 | 2.0866 | 99.2220 | 8228 |
1/0.6 | 0.1239×10-1 | 0.4193×10-2 | 0.1658×10-1 | 2.0866 | 99.2220 | 4104 |
1/0.7 | 0.1131×10-1 | 0.5198×10-2 | 0.1651×10-1 | 2.0778 | 98.8031 | 4734 |
1/0.8 | 0.1032×10-1 | 0.6169×10-2 | 0.1649×10-1 | 2.0753 | 98.6834 | 4664 |
1/0.9 | 0.9388×10-2 | 0.7081×10-2 | 0.1647×10-1 | 2.0728 | 98.5637 | 5356 |
1/1 | 0.8529×10-2 | 0.7904×10-2 | 0.1643×10-1 | 2.0677 | 98.3244 | 4140 |
1/1.1 | 0.7761×10-2 | 0.8670×10-2 | 0.1643×10-1 | 2.0677 | 98.3244 | 6094 |
1/1.2 | 0.7059×10-2 | 0.9342×10-2 | 0.1640×10-1 | 2.0640 | 98.1448 | 6110 |
1/1.3 | 0.6428×10-2 | 0.9939×10-2 | 0.1637×10-1 | 2.0602 | 97.9653 | 6948 |
1/1.4 | 0.5885×10-2 | 0.1050×10-1 | 0.1639×10-1 | 2.0627 | 98.0850 | 6910 |
1/1.5 | 0.5384×10-2 | 0.1096×10-1 | 0.1634×10-1 | 2.0564 | 97.7858 | 4336 |
1/1.6 | 0.4939×10-2 | 0.1138×10-1 | 0.1632×10-1 | 2.0539 | 97.6661 | 5100 |
1/1.7 | 0.4553×10-2 | 0.1180×10-1 | 0.1635×10-1 | 2.0577 | 97.8456 | 7836 |
1/1.8 | 0.4185×10-2 | 0.1210×10-1 | 0.1628×10-1 | 2.0489 | 97.4267 | 10332 |
1/2 | 0.3600×10-2 | 0.1265×10-1 | 0.1625×10-1 | 2.0451 | 97.2472 | 5238 |
1/3 | 0.1908×10-2 | 0.1428×10-1 | 0.1618×10-1 | 2.0363 | 96.8282 | 10880 |
1/4 | 0.1204×10-2 | 0.1497×10-1 | 0.1617×10-1 | 2.0350 | 96.7684 | 3502 |
1/5 | 0.8374×10-3 | 0.1522×10-2 | 0.1606×10-1 | 2.0212 | 96.1101 | 5638 |
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