Радиационно-конвективный нагрев марсианского аппарата EDL MSL под углом атаки


Просмотр статьи
PDF, 19,3 МБ

Radiative-Convective Heating of Martian Space Vehicle MSL EDL at Angle of Attack

Three-dimensional numerical simulation radiative gasdynamic (CFD/RadGD) models of physically and chemically nonequilibrium flow fields around space vehicle are used for investigation of radiative aerothermodynamics of the Mars Science Laboratory (MSL) entry, descent and landing (EDL) system under angles of attack for conditions of Martian entry [1].
The first part of the paper contains a description of the nonequilibrium radiative gasdynamic model which is used for numerical investigation of thermophysics of the Martian entry. The second part describes numerical simulation results obtained with the use of the three dimensional code NERAT(3D)+ASTEROID. Distinguishing feature of obtained data is the comparison of convective and radiative heating the MSL's surface from the forward stagnation line up to the backside. It is demonstrated that radiative heating of MSL space vehicle has its origin in presence of molecules CO2, CO, O2 in shock layer and in its wake. Calculations were performed with the use of multigroup spectral model taking into account most significant radiative mechanisms of absorption and emission.
Last part of the paper contains comparison of calculated data with experimental data, presented in the paper mentioned above.

radiative gas dynamics, radiative-convective heat transfer, Martian entry module


Том 16, выпуск 2, 2015 год



Трехмерная радиационно-газодинамическая модель физически и химически неравновесного течения используется для анализа радиационно-конвективного нагрева спускаемого космического аппарата Mars Science Laboratory (MSL) при его входе в плотные слои атмосферы Марса под углом атаки.
Результаты расчетов сопоставляются с экспериментальными данными, полученными в процессе успешной выполненной посадки MSL на поверхность Марса [1].
В первой части статьи дается постановка задачи и формулировка полной системы уравнений. Во второй части излагается используемый метод численного интегрирования. Заключительная часть статьи содержит обзор полученных расчетных данных и их сопоставление с летными данными.
Особенностью работы является получение расчетных данных по конвективному и радиационному (интегральному и спектральному) нагреву всей поверхности спускаемого космического аппарата при его полете под углом атаки вдоль реальной траектории марсианского входа.

радиационная газовая динамика, радиационно-конвективный теплообмен, марсианский спускаемый аппарат.


Том 16, выпуск 2, 2015 год



1. Edquist, K.T., Hollis, B.R., Johnston, C.O., Bose, D., White, T.R., and Mahzari, M., “Mars Science Laboratory Heat Shield Aerothermodynamics: Design and Reconstruction,” JSR, 2014. Vol.51. No.4. Pp.1106-1124.
2. Edquist K.T. Afterbody Heating Predictions for a Mars Science Laboratory Entry Vehicle. AIAA paper 2005-4817, 2005, 12 p.
3. Park C., Howe J.T., Jaffe R.L. and Candler G.V. Review of Chemical-Kinetic Problems of Future NASA Missions, II: Mars Entries. J. of Thermophysics and Heat Transfer. 1994. Vol.8, No.1, pp. 9-23.
4. Surzhikov S.T. TC3: Convective and Radiative Heating of MSRO For Simplest Kinetic Models. Proc. HTGR Workshop ESA SP-583. 2005. Pp. 55-62.
5. Surzhikov S.T. TC3: Convective and Radiative Heating of MSRO, Predicted by Different Kinetic Models. Proc. 2nd HTGR Workshop. ESA SP-629. 2006. (CD-ROM).
6. Surzhikov S., Omaly P. MSRO convective and radiative heating. AIAA Paper 08-1274. 2008. 43 p.
7. Omaly P., Surzhikov S. Prediction of Flow Field around Model of MSRO by NERAT-2D and NERAT-3D codes. Proc. 3rd HTGR Workshop. ESA SP-667. 2008. (CD-ROM).
8. Omaly P., Surzhikov S. 3D Model of Aerothermodynamics of Descent Space Vehicles. Proc. 3rd HTGR Workshop. ESA SP-667. 2008. (CD-ROM).
9. Суржиков С.Т. Радиационная газовая динамика спускаемых космических аппаратов. Многотемпературные модели. М.: ИПМех РАН. 2013. 701 с.
10. Omaly P., Rouzaud O., Surzhikov S. Radiation Heat Transfer Models for Re-Entry Aerothermodynamics. Proc. 25th Int. Symp. On Rarefied Gas Dynamics. 2006. Pp. 909-914.
11. Surzhikov S.T., Omaly P. Radiative Gas Dynamics of Martian Space Vehicles. AIAA paper 2011- 0452. 2011. p. 28.
12. Surzhikov S., Omaly P. Two-Dimensional Radiative Gasdynamics of One of Possible Shapes of the Exomars Space Vehicles. Proceedings of the 4th European Workshop on High Temperature Gas Radiation at Atmospheric Entry. 12-15 October 2010. Lausanne, Switzerland. Available on CD and www-page of European Space Agency.
13. Surzhikov S., Omaly P. Radiative Gasdynamics of Exomars at Angle of Attack. Proceedings of the 4th European Workshop on High Temperature Gas Radiation at Atmospheric Entry. 12-15 October 2010. Lausanne, Switzerland. Available on CD and www-page of European Space Agency.
14. Суржиков С.Т. Радиационно-конвективный нагрев марсианских зондов//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2013. Т. 14, вып. 2. http://chemphys.edu.ru/issues/2013-14-2/articles/408/
15. Суржиков С.Т. Неравновесная аэрофизика гиперзвукового обтекания сферы углекислым газом //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2011. Т. 11. http://chemphys.edu.ru/issues/2011-11/articles/187/
16. Bird, R.B., Stewart, W.E., Lightfoot, E.N., “Transport Phenomena,” John Wiley & Sons. Inc. 1965.
17. Wilke, C.R., Chem. Engn. Progr. 1950. Vol.46. Pp.95104.
18. Svehla, R.A., “Estimated Viscosities and Thermal Conductivities of Gases at High Temperatures,” NASA TR-R-132. 1962. 26 p.
19. Verant J.-L., Charbonnier J.M., Broc A., Dieudonne W., Spel M., Surzhikov S.T., Gromov V.G. Wake Flow Issues in Mars Aerocapture Phase. ICMAR’ 2002. Proceedings, Part 3. Novosibirsk, 1-7 July, 2002. Pp. 225-232.
20. Gromov V.G., Surzhikov S.T., Charbonnier J.-M. Convective and Radiative Heating of a Martian Space Vehicle Base Surface. Proceeding of the 4th European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles. 15-18 Oct. 2001. Capua, Italy. ESA SP-487. 2002. Pp. 265-269.