Аэрогазодинамические характеристики КА "Сич-2" на этапе входа в плотные слои атмосферы Земли

Исследовано аэродинамическое торможение орбитального космического аппарата (КА) «Сич-2» на этапе входа в плотные слои атмосферы Земли (высоты 300±90 км). С помощью разработанного метода “пробных частиц” (МПЧ) решения уравнения Больцмана рассчитаны интегральные характеристики (аэродинамические силы)...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Техническая механика
Datum:2010
Hauptverfasser: Басс, В.П., Печерица, Л.Л.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут технічної механіки НАН України і НКА України 2010
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88109
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Аэрогазодинамические характеристики КА "Сич-2" на этапе входа в плотные слои атмосферы Земли / В.П. Басс, Л.Л. Печерица // Техническая механика. — 2010. — № 3. — С. 63-70. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-88109
record_format dspace
spelling Басс, В.П.
Печерица, Л.Л.
2015-11-07T19:14:29Z
2015-11-07T19:14:29Z
2010
Аэрогазодинамические характеристики КА "Сич-2" на этапе входа в плотные слои атмосферы Земли / В.П. Басс, Л.Л. Печерица // Техническая механика. — 2010. — № 3. — С. 63-70. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
1561-9184
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88109
629.7.015.3: 533.6.011.8
Исследовано аэродинамическое торможение орбитального космического аппарата (КА) «Сич-2» на этапе входа в плотные слои атмосферы Земли (высоты 300±90 км). С помощью разработанного метода “пробных частиц” (МПЧ) решения уравнения Больцмана рассчитаны интегральные характеристики (аэродинамические силы) и локальные параметры (распределенные по поверхности).
Досліджено аеродинамічне гальмування орбітального космічного апарата (КА) «Січ-2» на етапі входу в щільні шари атмосфери Землі (висоти 300±90 км). За допомогою розробленого методу “пробних часток” рішення рівняння Больцмана розраховані інтегральні характеристики (аеродинамічні сили) і локальні параметри (розподілені по поверхні).
An aerodynamic drag of the Sich-2 orbital spacecraft in reentry is investigated (a height of 300 ± 90 km). Integrated characteristics (aerodynamic forces) and local parameters (distributed on a surface) are calculated using the developed “trial-particles” method for solution of the Boltzmann equation.
ru
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
Техническая механика
Аэрогазодинамические характеристики КА "Сич-2" на этапе входа в плотные слои атмосферы Земли
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Аэрогазодинамические характеристики КА "Сич-2" на этапе входа в плотные слои атмосферы Земли
spellingShingle Аэрогазодинамические характеристики КА "Сич-2" на этапе входа в плотные слои атмосферы Земли
Басс, В.П.
Печерица, Л.Л.
title_short Аэрогазодинамические характеристики КА "Сич-2" на этапе входа в плотные слои атмосферы Земли
title_full Аэрогазодинамические характеристики КА "Сич-2" на этапе входа в плотные слои атмосферы Земли
title_fullStr Аэрогазодинамические характеристики КА "Сич-2" на этапе входа в плотные слои атмосферы Земли
title_full_unstemmed Аэрогазодинамические характеристики КА "Сич-2" на этапе входа в плотные слои атмосферы Земли
title_sort аэрогазодинамические характеристики ка "сич-2" на этапе входа в плотные слои атмосферы земли
author Басс, В.П.
Печерица, Л.Л.
author_facet Басс, В.П.
Печерица, Л.Л.
publishDate 2010
language Russian
container_title Техническая механика
publisher Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
format Article
description Исследовано аэродинамическое торможение орбитального космического аппарата (КА) «Сич-2» на этапе входа в плотные слои атмосферы Земли (высоты 300±90 км). С помощью разработанного метода “пробных частиц” (МПЧ) решения уравнения Больцмана рассчитаны интегральные характеристики (аэродинамические силы) и локальные параметры (распределенные по поверхности). Досліджено аеродинамічне гальмування орбітального космічного апарата (КА) «Січ-2» на етапі входу в щільні шари атмосфери Землі (висоти 300±90 км). За допомогою розробленого методу “пробних часток” рішення рівняння Больцмана розраховані інтегральні характеристики (аеродинамічні сили) і локальні параметри (розподілені по поверхні). An aerodynamic drag of the Sich-2 orbital spacecraft in reentry is investigated (a height of 300 ± 90 km). Integrated characteristics (aerodynamic forces) and local parameters (distributed on a surface) are calculated using the developed “trial-particles” method for solution of the Boltzmann equation.
issn 1561-9184
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88109
citation_txt Аэрогазодинамические характеристики КА "Сич-2" на этапе входа в плотные слои атмосферы Земли / В.П. Басс, Л.Л. Печерица // Техническая механика. — 2010. — № 3. — С. 63-70. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT bassvp aérogazodinamičeskieharakteristikikasič2naétapevhodavplotnyesloiatmosferyzemli
AT pečericall aérogazodinamičeskieharakteristikikasič2naétapevhodavplotnyesloiatmosferyzemli
first_indexed 2025-11-25T21:37:42Z
last_indexed 2025-11-25T21:37:42Z
_version_ 1850553919796674560
fulltext УДК 629.7.015.3: 533.6.011.8 В.П. БАСС, Л.Л. ПЕЧЕРИЦА АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КА «СИЧ-2» НА ЭТАПЕ ВХОДА В ПЛОТНЫЕ СЛОИ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ Исследовано аэродинамическое торможение орбитального космического аппарата (КА) «Сич-2» на этапе входа в плотные слои атмосферы Земли (высоты 30090 км). С помощью разработанного метода “пробных частиц” (МПЧ) решения уравнения Больцмана рассчитаны интегральные характеристики (аэро- динамические силы) и локальные параметры (распределенные по поверхности). Досліджено аеродинамічне гальмування орбітального космічного апарата (КА) «Січ-2» на етапі вхо- ду в щільні шари атмосфери Землі (висоти 30090 км). За допомогою розробленого методу “пробних час- ток” рішення рівняння Больцмана розраховані інтегральні характеристики (аеродинамічні сили) і локальні параметри (розподілені по поверхні). An aerodynamic drag of the Sich-2 orbital spacecraft in re-entry is investigated (a height of 300  90 km). Integrated characteristics (aerodynamic forces) and local parameters (distributed on a surface) are calculated using the developed “trial-particles” method for solution of the Boltzmann equation. Введение. Обсуждаемая в статье тема находится в сфере соответствую- щего внимания авторов с точки зрения аэрогазодинамического сопровожде- ния одного из основных национальных проектов оптико-электронного на- блюдения Земли из космоса «Сич-2». Возможность численного моделирова- ния трехмерного обтекания космических объектов сложной формы имеет большое значение для решения подобного рода задач как для орбитальных, так и спускаемых КА [1 – 3]. Основным оптическим прибором, осуществляющим слежение за на- блюдаемыми объектами, является ориентированный на Землю бортовой оптический телескоп, работающий в режиме открытой крышки. При не- управляемом спуске КА крышка телескопа и две солнечные батареи (СБ), обеспечивающие функционирование КА на орбите (рис. 1), являются наи- более напряженными элементами конструкции, которые могут быть пер- выми подвергнуты разрушающему воздействию в процессе входа КА в плотные слои атмосферы. Результаты чис- ленных исследований процессов массопере- носа в окрестности космического аппара- та «Сич-2» были из- ложены в работах [4 – 6]. Основное внима- ние было уделено влиянию на функцио- нирование телескопа собственной атмо- сферы КА, форми- руемой в его окрест- ности в результате работы двигательных установок и процессов дегазации с поверхности КА. Вклад потоков частиц верхней атмосферы Земли к поверхности КА был исследован с помощью комбинированного метода [6]. Эти потоки зависят от состава и концентрации атмосферы на данной высоте, а также от гелио-геофизической обстановки на Рис. 1 Z Y V   X  В.П. Басс, Л.Л. Печерица, 2010 63 Техн. механика. – 2010. – № 3. время полета. В процессе численного моделирования газодинамических про- цессов в окрестности КА «Сич-2» с помощью МПЧ решения уравнения Больцмана набегающий поток задавался моноскоростным, а параметры атмо- сферы в зависимости от высоты полета брались в соответствии с [6]. Геомет- рия корпуса КА аппроксимировалась шестигранной призмой. Расчеты прово- дились для открытой крышки телескопа и трех вариантов ориентации аппара- та относительно вектора скорости набегающего потока ,V  которая задава- лась углом в плоскости Y = 0 системы координат XYZ, расположенной в центре масс КА (рис. 1).  Зависимость коэффициента лобового сопротивления КА «Сич-2» от высоты полета xC H и соответствующих чисел Кнудсена для углов атаки = 00; 450; 900 показана на рис. 2 (расчетные точки указаны маркерами). Жирной и тонкой кривой обозначены результаты, полученные для темпера- турного отношения =  wt TTw = 30 (горячее тело) и = 0,3 (холодное те- ло). Для рассматриваемого высотного интервала wt H = 300 ÷ 90 км скоростное отношение изменялось в пределах от = 10,4 до = 24. Аэродинами- ческие силы отнесены к площади поперечного сечения КА при угле атаки = 900 ( S = 7,691 м2), а характерный линейный размер полагался равным высоте корпуса КА ( = 2,665 м). S хар S S  харL Как показал анализ результатов расчетов по теории локального взаимо- действия при фиксированном угле атаки  [4], свободномолекулярный пре- дел при увеличении естественным образом растет, а сплошносред- ный остается практически неизменным. Данная тенденция наблюдалась и при расчетах коэффициента лобового сопротивления 2-й ступени ракетоно- сителя “Циклон-4” [2]. Как следует из рис. 2, для каждого из рассматривае- мых углов атаки КА «Сич-2», как и ожидалось, значения xC и wt = 30 ле- жат значительно выше соответствующих значений при = 0,3. Сплошнос- редные пределы для кривых (  xC 0 xC wt  wt пр xC H ) при рассматриваемых температурных Рис. 2 Kn12,4 0,0016 0,34 2,66 0,009 87,8 0 1 2 3 70 90 110 130 150 170 190 210 090 045 0 xC H , км 64 отношениях не совпадают. Связанно это прежде всего с тем, что расчеты МПЧ проводились при фиксированном линейном размере расчетных ячеек = 0,1 м. При = 30 минимальная местная длина свободного пробега  wt  на высоте H = 90 км соизмерима с   ,2 м). При wt 0,3 местные значения  вблизи поверхности КА становятся соизмеримы с (  0 =  уже а высоте 110 км (  0,1 м а при снижении до высоты 90 км и ниже н ),  << . Поэтому при wt = 0,3 для корректных расчетов МПЧ на низких высотах необходимо значи- тельное уменьшение размеров расчетной ячейки. На высоте 90 км размеры ячеек не должны превышать 0,01 м, а при 80 км требуемые размеры 0,002 м. Эти проблемы планируется решать в дальнейшем путем разра- ботки новых численных алгоритмов моделирования методом Монте-Карло физических процессов и явлений в молекулярной газовой динамике с исполь- зованием высокопроизводительных многопроцессорных вычислительных систем.   Общее число расчетных ячеек составляло 105, а объем выборки (число траекторий с границы контрольного объема) – 5106 испытаний. Представ- ленные выше результаты получены для 4-й итерации. Расчетное время, тре- буемое для одной итерации, зависело от угла атаки и режима обтекания и для ПЭВМ с тактовой частотой 2400 MHz изменялось в пределах от 1 до 6 часов (при спуске КА с высоты H = 300 км до 90 км). В работе [7] приведена расчетная зависимость ( ) для бесконеч- ной пластины, перпендикулярной набегающему потоку при = 7 и темпе- ратурном факторе = 10. В качестве характерного размера при расчете чис- ла Кнудсена в данной работе брался поперечный размер пластины. xC  S Kn  wt При угле атаки  = 900 поверхность КА «Сич-2», обращенную навстречу потоку, можно аппроксимировать набором перпендикулярных к V  пластин (двух панелей СБ, плоского дна КА и крышки телескопа). На рис. 3 показано сравнение ( ) КА «Сич-2» при xC Kn  = 900 (расчеты обозначены жирной кривой) с соответствующей зависимостью для бесконечной пластины (дан- ные нанесены квадратиками) при расчетных параметрах [7]. В качестве ха- рактерного размера в числе Кнудсена бралась длина проекции КА на плос- кость, нормальную к V  ( L = 6,62 м). Аналогично работе [7], потоки импульса определялись на еди- ницу площади. хар  3 xC Как видно из рис. 3, свободномо- лекулярные пределы ( ) бесконеч- ной пластины и рас- четной кривой, полу- ченной для угла атаки xC Kn  = 900, близки между собой. При приближении к сплошносредному режиму в силу довольно сложной геометрии КА усилива- ются эффекты интерференции и формируется система скачков уплотнения. 0 1 2 0,01 0,1 1 10 100Kn Рис. 3 65 Поэтому значения из [7] и рассматриваемые расчетные значения при достаточно малых значениях чисел Кнудсена стремятся к разным пределам. xC xC Распределение потока массы газа, потоков давления и касательного на- пряжения, тепловых потоков за счет поступательных и вращательных степе- ней свободы двухатомного газа ( M , nP , P , tE и rE ) для высот H = 300; 130 и 90 км определялось по нижней поверхности СБ. В качестве масштабов безразмерных параметров M , nP и P , tE и rE брались соответственно поток массы газа, давления и полный поток энергии в единицу времени на элемент поверхности, нормальный к скорости набегающе- го гиперзвукового многоатомного потока в невозмущенном газе : , (1)  SRTM 2/1)2(         2 1 2 2SRTPn , (2) nSS RT E             1 35 2 1 2 5 2 )2( 2 2 3 , (3) где скоростное отношение   RT V S 2 ; ),cos( nVSSn   . Выражения (1) – (3) получены как соответствующие моменты функции распределения молекул набегающего потока по скоростям [8]: )( 2 2/1 nS RT           , (4)                 )(1 2 )( nnn SerfSS RT nP , (5)                   )exp( 2 1 )( 2 5 2 )( 22 2 3 nnnt SSS RT E (6) )()( 1 35 22 1 2 3 nrE SRT            , (7) где   RT V S 2 – скоростное отношение; )cos( nSSn ,V   ; )1()exp()( 2 nnnn erfSSSS  . Выбор знака в последнем выражении зависит от ориентации площадки относительно набегающего потока. На больших высотах реализуется свободномолекулярный режим обтека- ния. При выбранном способе обезразмеривания значения распределенных по панелям СБ потоков M , nP и tE в случае перпендикулярности V  к плоско- 66 сти панели должны быть ≈ 1 (при условии отсутствия затенения панелей СБ относительно V  ). Это подтверждается расчетами распределенных парамет- ров по обеим панелям СБ для высоты полета H = 300 км и угла атаки  = 900. Зоны пониженных значений потоков, распределенных по правой панели СБ при угле атаки = 900, являются результатом затенения правой панели СБ крышкой телескопа. При приближении к корпусу КА на левой панели СБ на- блюдается незначительное уменьшение значений потоков  M , nP и tE . Дан- ный эффект обусловлен затенением поверхности левой панели СБ корпусом аппарата относительно траекторий частиц, летящих с правой боковой грани контрольного параллелепипеда. Уменьшение угла атаки приводит к уменьшению вклада прямых потоков M , nP и tE и усилению влияния эффектов отражения от корпуса КА на ле- вую панель СБ, а также эффектов затенения корпусом КА (относительно V  ) правой панели СБ. Характер распределения M , nP и tE идентичен. Значения rE тепловых потоков за счет наличия вращательных степеней свободы молекул набегающего потока по скоростям при всех углах атаки зна- чительно меньше тепловых потоков, обусловленных поступательными степе- нями свободы. Потоки касательного напряжения P достигают своих максимальных значений на левой панели СБ при угле атаки  = 450. При  = 00 значения P малы вследствие отсутствия прямых потоков на эту СБ и обусловлены тепло- выми скоростями и эффектами интерференции, а при угле  = 900 – из-за ор- тагональности плоскости СБ направлению V  . Следует отметить, что анало- гичное поведение P наблюдается и на более низких высотах. При расчетах P направление вектора касательной   к поверхности СБ выбиралось так, чтобы он лежал в плоскости V  и нормали n  к рассматриваемой поверхно- сти, а ее проекция на направление V  была величиной положительной. При ориентации вектора V  параллельно вектору нормали n  , касательная выби- ралась сонаправленной с осью задания геометрии КА. OX С уменьшением высоты полета до 130 км меняется поведение изолиний безразмерной плотности. Зоны уплотнения становятся более выраженными и прижимаются к поверхности КА. Наблюдается увеличение максимальных значений потоков массы и давления на обеих панелях СБ. При этом характер распределения M , nP и tE остается приблизительно таким же, как и при H = 300 км. Для = 900 потоки касательного напряжения  P становятся на- правленными к краям СБ. Отрыв потока приводит к существенному перераспределению поверх- ностных параметров. При спуске КА «Сич-2» до высоты  90 км на отдель- ных углах атаки формируются скачки уплотнения, которые могут “садиться” на панели СБ, вызывая локальные повышения расчетных параметров, вплоть до разрушения СБ. Подобная ситуация демонстрируется на примере падения орбитального комплекса “Салют - 7/Космос – 1686” (рис. 4, а) по данным ра- диолокационных станций слежения в феврале 1991 года. Как видно из приве- денных данных, на 23.01.1991 года комплекс нормально состыкован и не де- 67 формирован (рис. 4, б). Однако на 04.02.1991 года комплекс нормально со- стыкован, но структура СБ КА “Салют-7” (рис. 4, в) кажется нарушенной – одна солнечная панель изогнута [9]. а) б) в) Рис. 4 Формирование скачков уплотнения в окрестности КА «Сич-2» при его снижении до высоты 90 км для углов атаки  = 00; 450 и 900 при = 0,3 по- казано на рис. 5 а, б, в на примере изолиний плотности wt  , построенных в плоскости = 0. Шкала значений Y  для удобства сравнения результатов расчета ограничена максимальным значением, равным 4, хотя в действитель- ности безразмерная плотность вблизи тела может существенно превышать выбранное ограничение. Как видно из рис. 5, при ненулевых углах атаки при- сутствует попадание частиц в теневую зону за КА. При = 450 это обуслов- лено попаданием прямых потоков частиц в щели между корпусом КА и пане- лями СБ, а при   = 900 – переотражением частиц от корпуса КА и панелей батарей. На низких высотах максимальные значения M , nP , tE и rE резко воз- растают при всех рассматриваемых углах атаки. В случае = 900 (рис. 5 в) крылья скачка, формируемого при обтекании днища КА, “садятся” на панели СБ, в результате чего на левой и правой поверхностях СБ появляются ло- кальные зоны повышенных значений перечисленных выше параметров. Рас- пределение давления  nP по левой и правой СБ показано соответственно на 68 рис. 6 а и рис. 6 б. Отсутствие симметрии на рис. 6 б наглядно демонстрирует затенение правой СБ открытой крышкой телескопа. При спуске КА его поверхность нагревается, причем температурный ре- жим входа в плотные слои атмосферы заранее неизвестен. Изолинии относи- тельной плотности для случая предельного нагрева поверхности КА до тем- пературы торможения 0TTw  ( = 30) на высоте wt H = 90 км показаны на рис. 5 г. Характер формирования крыльев скачка уплотнения указывает на то, что расположение локальных зон повышенных значений распределенных параметров по левой и правой СБ аналогично случаю холодного тела. Заключение. Приведены результаты численного моделирования трех- мерного обтекания КА «Сич-2» для трех углов атаки. При неуправляемом спуске КА в высотном интервале от 300 км до 90 км происходит смена режи- мов обтекания от свободномолекулярного до сплошносредного. Режим сво- бодномолекулярного обтекания нарушается на высоте 130 км, о чем свиде- тельствует изменение структуры течения и поведение интегральных аэроди- намических характеристик. Безотрывное течение сменяется отрывным. На это указывает распределение параметров в окрестности тела. Отрыв потока а) Рис. 6 1,861 0,175 1,018 1,597 0,439 1,890 0,107 0,999 1,445 0,553 б) Рис. 5 а) б) в) V  г) V  V  V  69 70 приводит к существенному перераспределению поверхностных параметров. При спуске КА «Сич-2» до высоты  90 км на отдельных углах атаки форми- руются скачки уплотнения, которые могут “садиться” на панели СБ. Это вы- зывает значительные локальные повышения расчетных параметров, которые могут привести к разрушению конструкции КА. 1. Басс В. П. Численное моделирование трехмерного обтекания тел потоком разреженного газа / В. П. Басс, Л. Л. Печерица // Материалы докладов Десятой Международной школы-семинара “Модели и методы аэ- родинамики”. – М. : МЦНМО, 2010. – С. 17 – 18. 2. Басс В. П. Численное решение трехмерных задач динамики разреженного газа / В. П. Басс, Л. Л. Печери- ца // Техническая механика. – 2010. – № 2. – С. 38 – 51. 3. Басc В. П. Проблемы неуправляемого входа космических объектов в атмосферу Земли / Басс В. П. // Тезисы докладов Десятой Украинской конференции по космическим исследованиям. – Киев : ИКИ НАНУ - НКАУ, 2010. – С. 18 – 19. 4. Басс В. П. Исследование процессов массопереноса в окрестности оптического телескопа космического аппарата «Сич-2» на этапе проектирования / В. П. Басс, О. В. Доценко, Л. Л. Печерица, В. Б. Тарасов // Техническая механика. – 2004. – № 1. – С. 76 – 85. 5. Абрамовская М. Г. Аэрогазодинамическое сопровождение космических проектов / М. Г. Абрамовская, В. П. Басс, Н. В. Петрушенко, Л. Л. Печерица // Космічні дослідження в Україні 2004. - 2006. – Київ : ІКД НАНУ - НКАУ, 2006. – С. 78 – 86. 6. Басс В. П. Молекулярная газовая динамика и ее приложения в ракетно-космической технике / В. П. Басс – Киев : Наук. думка, 2008. – 272 с. 7. Рыков В. А. Численные исследования поперечного обтекания пластины сверхзвуковым потоком двуха- томного разреженного газа / В. А. Рыков, В. А. Титарев, Е. М. Шахов // Журн. вычисл. матем. и матем. физ. – 2007. – Т. 47, № 1. – С. 140 – 154. 8. Кошмаров Ю. А. Прикладная динамика разреженного газа / Ю. А. Кошмаров, Ю. А. Рыжов – М. : Ма- шиностроение, 1977. – 184 с. 9. Магура К. Радиолокационное сопровождение и наблюдение низкоорбитальных космических объектов на примере падания комплекса Салют-7/Космос-1686 / К. Магура, Д. Мерхольц // Падение орбитального комплекса Салют-7/Космос-1686 : Международный семинар, апрель, 1991 г., Дармштадт, Германия : сб. трудов. – Дармштадт : Европейское космическое агентство. – 1991. Институт технической механики Получено 11.05.10, НАН Украины и НКА Украины, в окончательном варианте 15.06.10 Днепропетровск