多体分离回追现象与方案验证
2021-12-23李晓轩杨依峰张利嵩秦绪国戈庆明
李晓轩，杨依峰，张利嵩，秦绪国，戈庆明
（北京航天长征飞行器研究所，北京，100076）
0 引 言
近年来，随着飞行器任务模式和功能的多样化，在飞行器方案论证过程中，高速飞行条件下的多体分离问题越来越多。对于多体分离过程，避免分离过程中发生碰撞是需要重点关注的问题[1~4]。本文针对在高超声速底流区分离时可能遇到的回追碰撞现象进行分析，并通过非定常数值仿真，验证了一种解决方案的有效性。
1 回追碰撞现象及分离方案
1.1 回追碰撞现象
高超声速底流区是由膨胀波、回流区、分离激波、尾流激波等流动结构组成的复杂流动区域。马赫数为15条件下，在飞行器底部，以近似底部直径为分界面，其内部的流动密度和速度极低，若物体处于该区域内，仅会受到微弱的气动力作用，如图1所示。
图1 底流区马赫数与密度分布Fig.1 Mach Number and Density Distribution in Base Flow Region
回追碰撞过程如图2所示，当以初始相对速度V0从飞行器底部向后抛出分离体后，分离体将处于动压极低的底流区区域中，不受明显的气动力作用，其相对来流的运动速度近似保持不变。而质量为m的飞行器在气动阻力Fx作用下，以加速度a=Fx/m做近似匀减速运动，因此飞行器与分离体间的相对速度持续减小，在t=V0/a时减小至Vt=0。之后两者间的距离将逐渐接近，直至在t=2×V0/a时刻以近似V0的相对速度发生回追碰撞。
图2 回追碰撞过程示意Fig.2 Schematic Diagram of Backtracking Collision Process
针对该现象，本文提出后抛+侧抛的分离方案，并通过数值仿真对该方案进行了分析。
1.2 分离方案
后抛+侧抛方案的大致流程，是将分离体分为左右两半，首先将其一同向后抛出，在尚未发生回追的时间窗口内，将分离体的左右两半向两侧进行二次分离，使其飞出低动压底流区范围，从而在来流气动力作用下，向远离飞行器的方向飞行，避免回追碰撞问题。
2 数值仿真方法
分离过程中飞行器和分离体的位置姿态时刻发生变化，因此根据位置和姿态实时、高效和鲁棒的调整网格成为分离过程模拟的关键。重叠网格技术中各个独立网格的拓扑结构不会随着物体的相对运动而改变，因此基于重叠网格技术的数值模拟方法适于处理刚性物体之间的相对运动。此外还有变形网格技术[5]，也适用于多体分离问题的分析。
根据飞行器和分离体的外形特点，采用结构与非结构网格混合的方式，进行了计算网格的划分。图3给出了采用重叠网格技术对多体动态问题的仿真流程。
图3 多体动态问题仿真流程Fig.3 Simulation Flow of Multi-body Dynamic Problem
3 仿真分析
选取飞行器与分离体相对距离最远、相对速度为零的时刻作为分离体开始侧向分离动作的时刻。单个分离体的质量为50 kg，两分离体各自中心平面间的初始间距为160 mm，初始侧向分离速度为25 m/s。
首先依据初始条件进行定常计算，并将其结果作为非定常计算的初场。计算得到的流向截面压力等值线如图4所示，对称面压力云图和流线如图5所示，对称面马赫数云图如图6所示。
图4 起始时刻流向截面压力等值线Fig.4 Pressure Isopleth of Flow Direction Section at the Starting Time
图5 起始时刻对称面压力云图和流线Fig.5 Pressure Cloud Chart and Streamline of Symmetrical Plane at the Starting Time
图6 起始时刻对称面马赫数云图Fig.6 Mach Number Cloud Chart of Symmetrical Plane at The Starting Time
由图4~6可以看出，在分离体附近存在着复杂的干涉结构，等压线密集。从对称面压力云图和流线分布可以看到清晰的激波干涉结构，回流区可见两个较大分离涡。除此之外，在两个分离体中间区域还存在着若干小分离结构。可知初始时刻分离体完全处在飞行器的底流区中，未脱离底流区干扰。
在定常流场基础上，开展了非定常分离计算，计算得到的各部件速度和位移曲线分别见图7、图8。
图7 各部件速度曲线Fig.7 Calculated Variation Curve of Component Centroid Velocity
图8 计算的部件质心位移变化曲线Fig.8 Calculated Variation Curve of Component Centroid Displacement
续图8
由图8、图9可以看出，飞行器在气动力作用下，沿轴向始终呈匀加速运动状态。左右分离体在0.02 s之前速度几乎不变，表明其在底流区中受气动力影响较小，此时段内分离体和飞行器呈相互接近的趋势。当分离体随着z向运动接触到底流区边界后，开始具有明显的轴向加速度，在该加速度作用下，其轴向速度开始逐渐增加并超过飞行器的轴向速度，实现了两者逐渐远离。计算得到的不同时刻部件相对位置关系见图9。
图9 不同时刻部件相对位置Fig.9 Relative Position of Components at Different Times
由图9可知，分离体沿侧向飞出底流区后，与飞行器在流向上相互远离，没有发生回追碰撞。
4 结束语
非定常数值计算结果表明，高超声速条件下，飞行器底部流场的低动压环境不利于多体分离方案的实现，通过侧抛+后抛的解决方案，可以使分离体沿侧向迅速脱离底流区，在较大的来流动压条件下与飞行器拉开距离，有效避免回追碰撞。
