航天器表面環境散射返回流污染數值模擬和影響因素分析

靳旭紅，俞繼軍，黃 飛，程曉麗，黃育群

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航天器表面環境散射返回流污染數值模擬和影響因素分析

靳旭紅，俞繼軍，黃 飛，程曉麗，黃育群

（中國航天空氣動力技術研究院，北京 100074）

針對航天器表面出氣分子形成的環境散射返回流污染問題，利用試驗粒子Monte Carlo方法對圓球和圓柱體簡化航天器表面環境散射返回流進行數值模擬。其中，圓球出氣表面的計算結果與已有的DSMC（Direct Simulation Monte Carlo）方法計算結果一致，驗證了該方法的正確性。此外，對不同長徑比的圓柱表面環境散射進行了計算和分析，結果表明：來流方向垂直于圓柱對稱軸時，返回分子主要分布在圓柱體側面的迎風部位；返回通量比隨來流與出氣分子質量之比的增加逐漸減小，隨來流與出氣表面溫度之比、來流分子速度比和數密度的增加而增大；不同長徑比條件下返回通量比相對于上述4個參數的變化具有相似性和遞變性，短粗體的返回通量比最小，長細體的最大，正常圓柱體的則居中；返回通量比相對來流攻角的變化在不同長徑比條件下不再具有相似性，而是取決于有效迎風面積。

出氣分子；環境散射；返回流；試驗粒子Monte Carlo；圓柱體；數值模擬

0 引言

航天器表面的出氣分子污染主要來自表面材料的放氣、噴流控制、廢氣排放等[1]。污染分子的

傳輸與航天器軌道環境、幾何構型、污染源及敏感表面性質有關，其傳輸過程可以用Boltzmann方程進行描述，以稀薄氣體動力學的研究為理論基礎[2]。

在低地球軌道（高度約為200～400km）飛行的航天器表面發出的氣體分子和稀薄大氣來流分子碰撞引起散射效應，可能重新回到出氣表面，形成返回流。返回流根據其產生機制分為自散射和環境散射，前者是由于出氣分子之間發生碰撞導致，后者是由于出氣分子和來流分子之間發生碰撞而形成，前者在量級上遠小于后者[3]。衡量返回流大小的物理量是返回通量比（Return Flux Ratio, RFR），即返回出氣表面的分子數與總出氣分子數的比值。一般的，返回通量比很小，但也會嚴重影響航天器上某些外部敏感裝置的性能[4]。比如，太陽電池板表面的返回流污染會降低其透射率，導致太陽能轉化為電能的效率降低；透鏡或反射鏡等光學表面的返回流污染也會降低鏡面透射率或反射率，使光學測量精度下降，從而影響航天器的總體性能[5]。而且，航天器一般設計成敏感表面之間的視線因子達到最小，從而使直接流污染量最小，大部分出氣分子離開出氣表面后直接進入宇宙空間，導致環境散射返回流成為最大的污染源之一。因此，在航天器設計中必須對環境散射返回流表面累積污染進行精確的預測和控制[6]。

對于返回流問題，早期多應用Bhatnager- Gross-Krook（BGK）模型進行分析[7-8]，后來Bird[1]采用直接模擬Monte Carlo（Direct Simulation Monte Carlo, DSMC）技術對圓球表面出氣分子形成的環境散射返回流污染問題進行了數值模擬，并根據模擬結果針對特定外形整理出一套經驗公式供工程使用。然而，環境散射流的各向異性導致處理其引起的污染問題存在諸多困難。常見的稀薄氣體動力學分析方法，如BGK模型和DSMC技術在這個問題上都顯得低效，前者因分析過于復雜而無法應用于工程，后者則需要耗費相當長的計算時間和巨大的存儲量[5]。試驗粒子Monte Carlo（Test Particle Monte Carlo, TPMC）方法[9]是一種隨機模擬方法，適用于無碰撞或近自由分子流區的氣體流動，其區別于DSMC方法的明顯特點是仿真分子是順序而非同時產生的，1次只產生1個試驗粒子，因此不會耗費太多的計算時間和存儲量，更適用于復雜邊界導致的多重表面反射流動問題[10]。Fan等首次將TPMC方法用于簡單航天器表面出氣導致的自散射和環境散射返回流問題[3]。Guo和Liaw也做了類似的研究，結果表明TPMC方法相比于DSMC方法可節省大量的計算時間，又比BGK模型的結果精確，從而在航天器表面污染預測中更實用[11]。

本文在前人對圓盤[3]、圓球[11]表面環境散射問題的研究基礎上，考慮圓柱體簡化航天器表面出氣分子形成的環境散射返回流污染問題，簡要介紹TPMC方法的模擬過程，并計算圓球表面環境散射返回流，與前人的DSMC結果對比以進行驗證。在方法驗證的基礎上，對不同出氣和來流條件下圓柱體表面環境散射返回流進行計算和對比，分析不同幾何參數（圓柱的長度與半徑之比）對返回通量比的影響，并從分子動理學的觀點進行解釋。

1 TPMC模擬方法

TPMC方法主要步驟為：首先，構建足夠大的計算域并在出氣表面產生1個試驗粒子；然后，跟蹤和模擬該試驗粒子之后的運動軌跡和碰撞過程，直到其飛出計算域或撞到出氣表面；最后，重復上述過程直至試驗粒子數足夠多，以保證計算結果收斂，統計返回通量比。

1.1 構建計算域

對于圓柱表面環境散射返回流（如圖1所示）問題，計算域為球心位于圓柱幾何中心的圓球體，其半徑為

max=·max(b,b/2)， (1)

其中：b為圓球表面半徑；b為圓柱長度；為確定計算域尺寸的正參數。經驗證發現，=30時可以忽略計算域外的分子活動對返回流的影響，獲得統計上足夠穩定的結果[12]。

圖 1 圓柱表面出氣分子環境散射返回流流動示意圖和坐標系