一种运载火箭大气层内飞行段舱段温度场分布确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种运载火箭大气层内飞行段舱段温度场分布确定方法，属于运载火 箭热环境分析与设计内容。
【背景技术】
[0002] 运载火箭大气层内飞行过程中（飞行高度0km彡h彡71km)，影响舱段热环境的主 要因素包括：舱段外壁气动加热、舱内仪器设备工作自身发热、贮箱推进剂的热传导、舱内 空气存在导致的自然对流换热、舱段内部由于飞行加速度和舱内气体不断外泄引起的强制 对流换热。其中，气动加热、舱内气体的自然对流换热和强迫对流换热占舱段热环境影响因 素的比例最大，是影响舱段温度环境分布的主要因素，同时其确定方法也比较复杂。在舱段 热环境的分析过程中，准确确定气动加热、舱内气体的自然对流换热和强迫对流换热，是圆 满完成舱段热耦合分析、准确给出舱段温度场分布的重要保证。
【发明内容】
[0003] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种运载火箭大气层内 飞行段（飞行高度〇km < h < 71km)舱段温度场分布确定方法，该方法能够准确计算舱段 的温度场分布，为火箭的热环境设计提供准确可靠的设计依据。
[0004] 本发明的技术解决方案是：
[0005] -种运载火箭大气层内飞行段舱段温度场分布确定方法，步骤如下：
[0006] (1)确定运载火箭舱段外壁所受随飞行高度h变化的气动加热热流qh，具体为：
[0007] (1. 1)确定来流参数，所述来流参数包括来流压力P"、来流温度T"和来流密度 P 〇〇 ?
[0008] (1. 1. 1)所述来流压力P〇〇由公式
[0009]
【主权项】
1. 一种运载火箭大气层内飞行段舱段温度场分布确定方法，其特征在于步骤如下： (1)确定运载火箭舱段外壁所受随飞行高度h变化的气动加热热流qh，具体为： (I. 1)确定来流参数，所述来流参数包括来流压力P00、来流温度T00和来流密度P "， (I. I. 1)所述来流压力P00由公式
面为基准的火箭飞行高度； (I. 1. 2)所述来流温度T00由公式
mol ? K ； (1. 2)确定舱段外壁边界层外缘参数，所述舱段外壁边界层外缘参数包括边界层外缘 压力匕、密度P JP温度Te;所述舱段为柱段，物面角为0°，边界层外缘参数取来流参数值， 艮P : Pe= P OO，P e= P OO，Te= T 〇〇 ;
头的纵向距离，单位为m，^为边界层外缘的动力粘性系数，且y e= y "，为来流的动
(1. 5)确定当地恢复焓值hM，根据当地恢复温度T M和压力P j角定； (1. 5. 1)根据空气可压缩因子数值表格确定空气可压缩因子Z，空气可压缩因子数值 表格表示Z随当地恢复温度Tm、压力P00的变化； (1. 5. 2)根据无量纲因子表格确定无量纲因子Y，无量纲因子表格表示Y随当地恢复温 度Tre、压力P00的变化；
(1. 6)确定舱段外壁气动加热冷壁热流q。： 当RexS Re。时，舱段外壁边界层为层流边界层，qc=0. 332Pr _2/3P eue(Rex) ^0'5 (hre~hw)； 当Rex^ Re。时，舱段外壁边界层为为湍流边界层，
压比热，A为空气的导热系数，式中Re。为临界雷诺数， 所述hw为壁焓，h w= c p ? Tw，1；为舱段的外壁面温度；
(2) 确定舱段封闭腔内仪器壳壁表面随飞行高度h变化的平均自然对流换热系数a n; (3) 确定舱段内部由于飞行加速度和舱内气体不断外泄引起的强制对流换热系数 a (4) 建立舱段节点热网络模型，根据气动加热热流qh、自然对流换热系数a "和强制对 流换热系数a ,进行热耦合分析，得到舱段温度场分布。
2. 根据权利要求1所述的一种运载火箭大气层内飞行段舱段温度场分布确定方法，其 特征在于：所述步骤（2)确定舱段封闭腔内仪器壳壁表面随飞行高度h变化的平均自然对 流换热系数a n，具体为：
度，A为空气导热系数；
备的壁面温度V与舱内气体温度T'之差，T为定性温度，取V与T'算术平均值，T = (V +T，）/2; 当量重力加速度c = b+g，b为飞行器的运行加速度，g为不同高度下的重力加速度，
3. 根据权利要求1所述的一种运载火箭大气层内飞行段舱段温度场分布确定方法，其 特征在于：所述步骤（3)确定舱段内部由于飞行加速度和舱内气体不断外泄引起的强制对 流换热系数a f，具体为： (3. 1)建立舱内气体流场：以火箭的飞行速度、加速度及不同高度的大气压强为边界 条件，采用CFD方法数值模拟舱内气体由于飞行加速度产生的流场，得到流场内速度分布； (3. 2)计算强制对流努塞尔数Nuf，Nuf = (0. 037Re 4/5-871) ? Pr1/3, Re为雷诺数，
4.根据权利要求1所述的一种运载火箭大气层内飞行段舱段温度场分布确定方法，其 特征在于：所述空气可压缩因子Z的数值表格为：
O
5.根据权利要求1所述的一种运载火箭大气层内飞行段舱段温度场分布确定方法，其 特征在于：所述无量纲因子Y的数值表格为：
C
6.根据权利要求1所述的一种运载火箭大气层内飞行段舱段温度场分布确定方法，其 特征在于：所述采用建立节点热网络模型，进行热親合分析具体采用Sinda-Fluint软件实 现。
【专利摘要】一种运载火箭大气层内飞行段舱段温度场分布确定方法，步骤为:(1)确定舱段外壁所受随飞行高度变化的气动加热热流qh；(2)确定舱段封闭腔内仪器壳壁表面随飞行高度变化的平均自然对流换热系数αn；(3)确定舱段内部由于飞行加速度和舱内气体不断外泄引起的强制对流换热系数αf，(4)建立舱段节点热网络模型，完成热耦合分析，得到舱段温度场分布。该方法综合考虑了舱外气动加热，舱内空气自然对流和强制对流对舱段热环境的影响，有效解决了运载火箭大气层内飞行段舱段温度场分布确定的难题。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104820748
【申请号】CN201510228072
【发明人】苏虹, 马小亮, 李凰立, 杜涛, 吴彦森, 徐珊姝, 沈丹, 秦曈, 陈风雨, 何巍
【申请人】北京宇航系统工程研究所, 中国运载火箭技术研究院
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年5月7日