火箭飛行跨聲速激波現(xiàn)象研究

張耘隆，何 巍，高武煥，黑艷穎，劉漢宇

火箭飛行跨聲速激波現(xiàn)象研究

張耘隆，何 巍，高武煥，黑艷穎，劉漢宇

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

在運載火箭飛行過程中，由于火箭氣動外形的變化，在跨聲速飛行段運載火箭整流罩柱段外部會產(chǎn)生跨聲速激波現(xiàn)象。為了研究火箭整流罩外部流場中跨聲速激波的變化規(guī)律，采用三維數(shù)值模擬，獲取了運載火箭跨聲速飛行外部流場，并采用試驗結果驗證了數(shù)值方法的正確性。使用數(shù)值紋影對跨聲速激波進行了顯示，獲取了激波位置隨著飛行馬赫數(shù)的變化規(guī)律，研究了激波前后壓差隨著飛行馬赫數(shù)的變化規(guī)律。

運載火箭；跨聲速激波；壓差

0 引 言

運載火箭在飛行過程中速度從0一直加速到幾千米每秒，飛行的速度區(qū)域從亞聲速、跨聲速、超聲速一直到高超聲速，其中流動現(xiàn)象最為復雜的是跨聲速飛行過程[1-3]。在跨聲速飛行過程中，火箭會承受嚴酷的跨聲脈動壓力環(huán)境和內(nèi)外壓差載荷。因此開展運載火箭飛行跨聲速流場研究具有重要的意義。

在運載火箭跨聲速飛行段，流場結構會發(fā)生快速變化。氣流在火箭整流罩錐柱交界面后的區(qū)域加速，當飛行速度增加到一定程度，在錐柱交界面后區(qū)域首先達到聲速，同時在運載火箭表面會出現(xiàn)跨聲速激波現(xiàn)象?？缏曀偌げ〞焖僖苿咏?jīng)過運載火箭的外表面，給運載火箭整流罩外表面帶來劇烈的壓力變化。整流罩外表面壓力的迅速變化會帶來內(nèi)外壓差載荷的變化。

Charles[4]通過風洞試驗研究了不同整流罩外形下的箭體表面脈動壓力特性；Deese等[5]開展了運載火箭分離流動預示研究，研究中主要對比了湍流模型對倒錐處分離流動的預示能力，仿真預示有效捕捉到了整流罩柱段的跨聲速激波；Rajan等[6]在風洞試驗中系統(tǒng)研究了整流罩直徑比和倒錐角對整流罩倒錐處跨聲速脈動壓力分布的影響，當?shù)瑰F角達到一定值時，倒錐后脈動壓力不再變化；Rakhab等[7]針對錘頭型運載火箭整流罩開展了數(shù)值模擬研究，仿真給出了整流罩倒錐分離流動所導致的表面脈動壓力聲壓級和頻譜特性；David等[8]通過飛行、風洞和數(shù)值方法研究了細長雙錐構型在馬赫數(shù)為0.6、1.5和1.8下的表面平均靜態(tài)壓力分布和脈動壓力特性；Mehta[9]通過數(shù)值仿真獲取運載火箭表面在跨聲速的壓力分布，研究了火箭整流罩內(nèi)外壓差特性，但是未對整流罩跨聲速激波的規(guī)律開展研究。后續(xù)的研究工作大都針對運載火箭整流罩跨聲速脈動壓力問題[10-13]，對運載火箭跨聲速飛行激波問題尚缺乏研究。本文對運載火箭跨聲速飛行中激波現(xiàn)象開展研究，從而更好地認識運載火箭跨聲速流動及整流罩內(nèi)外壓差載荷。

1 數(shù)值仿真模型

1.1 網(wǎng)格策略

為了有效捕捉流場結構，針對運載火箭構型開展了分區(qū)域多層O型網(wǎng)格策略，網(wǎng)格數(shù)量約為900萬，網(wǎng)格拓撲結構如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格拓撲結構

1.2 數(shù)值方法

1.2.1 控制方程

直角坐標系下的N-S方程為

結合流場N-S方程、理想氣體狀態(tài)方程和湍流輸運方程，可以求解出所有流場參數(shù)。

1.2.2 邊界條件

采用無滑移絕熱壁面條件，即：

外部遠場給定來流速度、溫度和壓力條件，出口邊界則根據(jù)給定壓力出口條件。

1.2.3 數(shù)值方法

本文采用有限體積法求解上述方程組。通量分裂采用Roe格式，對流項采用二階精度迎風格式離散。

2 仿真結果分析

2.1 仿真計算工況

針對單芯級構型開展仿真計算分析，火箭的整流罩為馮·卡門曲線，具體的構型情況見圖2。軸沿箭體的軸線方向，從箭體頭部指向尾部，軸方向為圖2中豎直向上方向，軸方向與、軸方向構成右手坐標系。為了研究運載火箭流場中的跨聲速激波現(xiàn)象，開展了如表1所示工況的計算，來流馬赫數(shù)在0.7～0.95之間，氣流攻角為0°，同時列出了彈道高度隨馬赫數(shù)的變化。

圖2 仿真計算的火箭構型

表1 計算工況

Tab.1 Simulation conditions

馬赫數(shù)高度/km馬赫數(shù)高度/km 0.705.140.856.56 0.725.360.866.69 0.745.570.886.82 0.765.710.907.08 0.785.840.927.33 0.806.060.947.48 0.826.310.957.60 0.846.43——

2.2 仿真結果驗證

圖3為整流罩肩部附近的無量綱外壓變化情況。由圖3可知，試驗測量顯示，整流罩外壓隨飛行時間下降，某一時刻突然下降。根據(jù)彈道馬赫數(shù)和大氣模型，可以將模擬得到的壓力系數(shù)換算為真實壓力。仿真的計算壓力和試驗結果變化規(guī)律一致，存在迅速下降的現(xiàn)象，出現(xiàn)突跳下降的馬赫數(shù)也和試驗結果接近，證明本文采用的數(shù)值仿真方法能夠較好地捕捉到跨聲速激波現(xiàn)象。

圖3 整流罩肩部壓力變化

2.3 仿真結果分析

外部高速氣流經(jīng)過火箭外表面，由于運載火箭頭部外形的變化，氣流在運載火箭整流罩錐段和柱段的交界面附近加速。氣流首先在運載火箭整流罩錐段和柱段的交接面附近達到超聲速，超聲速氣流以一道激波結束。圖4給出了馬赫數(shù)分別為0.70、0.76、0.80、0.85、0.90、0.95的6個工況的馬赫數(shù)云圖和壓力云圖。圖中結果表明：a）隨著來流馬赫數(shù)的逐漸增大，整流罩錐段和柱段交接面后的超聲速區(qū)不斷增大；b）超聲速區(qū)結束激波的位置在不斷向箭體尾部移動。根據(jù)可壓縮流動的規(guī)律，氣流流動速度增加，氣流壓力下降，因此超聲速區(qū)對應為流場中的低壓區(qū)，圖4中的壓力分布云圖與分析一致。

圖4 部分工況流場云圖

為了更加清晰地觀察激波的位置，采用數(shù)值紋影對流場進行了顯示。數(shù)值紋影的定義采用Hadjadj等[14]在高速氣體動力學流場顯示研究中的方法，其定義形式如式（6）所示：

采用上述計算方法獲取的流場數(shù)值紋影如圖5所示，馬赫數(shù)包括0.70、0.76、0.80、0.85、0.90和0.95。從圖5中可以看到，在整流罩錐段和柱段交接面后面存在高亮條帶，該條帶即是上文中提到的激波。對比6個馬赫數(shù)下的數(shù)值紋影，可以發(fā)現(xiàn)：a）在馬赫數(shù)為0.7和0.76時激波尚不明顯，在馬赫數(shù)為0.8時出現(xiàn)了明顯的激波；b）激波位置隨著馬赫數(shù)增加逐漸向箭體尾部方向移動，同時激波的長度不斷增大。

圖5 部分工況流場數(shù)值紋影云圖

續(xù)圖5

2.4 跨聲速激波分析

氣流經(jīng)過激波后，壓力迅速上升，同時伴隨著速度迅速降低，溫度迅速升高。跨聲速激波最終會作用到箭體外表面上，影響火箭外表面的壓力分布。為了深入研究火箭跨聲速激波對箭體壁面的壓力影響，將仿真計算的各個工況的箭體母線上的壓力提取出來?；鸺w行過程中箭體母線上的壓力沿箭體軸線的分布如圖6所示，箭體錐柱交界面后的壓力迅速下降，然后箭體外表面產(chǎn)生一道激波，經(jīng)過激波時箭體外表面壓力迅速上升。運載火箭跨聲速飛行時，由于箭體整流罩內(nèi)部壓力在同一個時刻基本為同一個值，箭體外表面壓力的迅速下降將給整流罩局部外表面帶來較大的內(nèi)外壓差載荷。

圖6 整流罩局部母線壓力分布

激波前后壓差定義見圖7。

圖7 激波前后壓差定義

激波從物理上是流場中的強間斷，激波厚度實際為0.1 m。在數(shù)值計算中由于存在數(shù)值粘性耗散，激波在數(shù)值計算中會變厚，但是數(shù)值仿真依然能夠捕捉到流場的劇烈壓力變化。為了進一步表征跨聲速激波前后箭體表面壓力變化情況，針對整流罩母線上的壓力分布對箭體軸向坐標求導，定義d/d為10 kPa/m的起始位置和終止位置的箭體表面壓力差為跨聲速激波前后壓差，同時定義dd最大的位置為激波位置。

圖8給出了跨聲速激波前后箭體表面的壓力變化和激波位置隨著飛行馬赫數(shù)的變化情況。激波前后的壓差與激波的強弱有關，激波前后壓差越大，激波強度越強。由圖8可知，仿真計算的激波前后壓差隨著馬赫數(shù)增大先增大后降低，即激波強度先增強后減弱。激波前后箭體表面壓差最大值出現(xiàn)在馬赫數(shù)0.78左右，激波前后壁面最大壓差為15.2 kPa。此外，激波位置隨著馬赫數(shù)增加不斷向箭體尾部方向移動，激波位置隨著馬赫數(shù)非線性變化，激波位置隨馬赫數(shù)變化的斜率不斷增大。

為了更好地獲取運載火箭外表面壓力分布，在火箭風洞試驗工況設計上，應減小馬赫數(shù)0.8到1.0之間的馬赫數(shù)間隔，從而能夠有效捕捉到火箭整流罩外表面的跨聲速激波移動現(xiàn)象，為運載火箭排氣孔設計提供更加詳細的壓力分布數(shù)據(jù)。

圖8 火箭跨聲速飛行激波前后壓差和激波位置隨著馬赫數(shù)的變化情況

3 結 論

本文采用數(shù)值模擬對一種馮·卡門曲線整流罩單芯級運載火箭跨聲速飛行流場進行了仿真計算，采用數(shù)值紋影對跨聲速激波現(xiàn)象開展了研究分析。經(jīng)過分析得出如下結論：a）在運載火箭跨聲速飛行過程中，跨聲速激波位置隨著馬赫數(shù)增大向箭體尾段移動，激波位置隨馬赫數(shù)非線性移動，激波位置變化斜率逐漸增大；b）跨聲速激波前后的壓差隨著馬赫數(shù)先增大后減小，激波強度先增強后減弱；c）激波前后最大壓差約為15.2 kPa出現(xiàn)在=0.78附近；d）從運載火箭內(nèi)外壓差載荷設計角度，應當在馬赫數(shù)0.8～1.0區(qū)間加密風洞試驗工況。

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The Study of Transonic Shock Wave during Launch Vehicle Flight

ZHANG Yunlong, HE Wei, GAO Wuhuan, HEI Yanying, LIU Hanyu

(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

Because of the variation of the launch vehicle profile, a transonic shock wave exists on the cylinder part of the fairing during the transonic flight. For the studying of variation of the transonic shock wave in the flow field around the rocket fairing, the flow field is obtained using a three-dimensional simulation and the method is validated by test data. The transonic shock wave is visualized by the numerical schlieren method, and the variation of the shock wave position with the Mach number of the far field flow is analyzed. The pressure difference across the shock wave characteristic with the far field Mach number is studied.

launch vehicle; transonic shock wave; pressure difference

2097-1974(2023)02-0001-05

10.7654/j.issn.2097-1974.20230201

V475.1

A

2022-11-29；

2023-02-16

張耘隆（1986-），男，高級工程師，主要研究方向為運載火箭總體設計。

何 ?。?978-），男，研究員，主要研究方向為運載火箭總體設計。

高武煥（1991-），男，工程師，主要研究方向為運載火箭氣動力和氣動熱設計。

黑艷穎（1987-），女，工程師，主要研究方向為運載火箭總體設計。

劉漢宇（1995-），男，助理工程師，主要研究方向為運載火箭氣動力和氣動熱設計研究。