Анализ радиационно-конвективного нагрева четырех типов спускаемых космических аппаратов


Просмотр статьи
PDF, 757,0 КБ

Estimation of Radiation-Convection Heating of Four Types of Reentry Spacecrafts

The results of the comparative analysis, basing on the approximate correlations for convective and radiative heating of reentry spacecrafts are presented and analyzed.
Experimental data obtained in the “Fire-II” flight test are used for validation of the approximate correlations.
This paper continues the analysis of the correlation relationships initiated earlier by the authors (Surzhikov S.T., Shuvalov M.P. Checking Computational Data on Radiative and Convectional Heating of Next Generation Spacecraft. Heat Transfer. 2013. Vol.51. No.3. Pp. 408-420.) in order to increase the reliability of the prediction of the intensity of radiation and convection heating for reentry spacecraft of new generation.
An important element of novelty of this work is the use of approximate correlations recently proposed by scientists of NASA (Brandis A.M., Johnston C.O. Characterization of Stagnation-Point Heat Flux for Earth Entry // AIAA 2014-2374. 2014. 20 p.).

Radiative gasdynamics, space vehicle, Fire-II


Том 15, выпуск 4, 2014 год



Представлены результаты сравнительного анализа плотностей потоков конвективного и радиационного нагрева спускаемых космических аппаратов, для которых имеется значительное число расчетных данных других авторов.
Расчеты радиационно-конвективного нагрева космического аппарата Fire-II можно рассматривать как валидацию используемых корреляционных соотношений, поскольку в этом случае расчетные данные сравниваются с экспериментальными данными летного эксперимента.
Данная работа продолжает анализ корреляционных соотношений, начатых авторами ранее (Суржиков С.Т., Шувалов М.П.//Теплофизика Высоких Температур, 2013, Т.51, № 3) с целью повышения достоверности предсказания интенсивности радиационного и конвективного нагрева спускаемых космических аппаратов нового поколения.
Важным элементом новизны данной работы является использование корреляционных соотношений, недавно предложенных специалистами NASA (Brandis A.M., Johnston C.O. //AIAA 2014-2374. 2014).

радиационно-конвективный нагрев, космический аппарат Fire-II


Том 15, выпуск 4, 2014 год



1. NASA’s Exploration Systems Architecture. Final Report. NASA-TM-2005-214062. November 2005. 758 p.
2. Drake B.G. Human Exploration of Mars Design Reference Architecture 5.0. NASA presentation. February 2009. 31 p.
3. Johnston C.O., Hollis B.R., Sutton K. “Nonequilibrium Stagnation-Line Radiative Heating for Fire-II,” JSR. V. 45. № 6. 2008. P. 1185.
4. Cornette E.S. Forebody Temperatures and Calorimeter Heating Rates Measured During Project Fire II Reentry at 11.35 km/s. NASA TM X-13 05, Nov. 1966.
5. Olynick D.R., Henline W.D., Hartung L.C. and Candler G.V. “Comparison of Coupled Radiative Navier-Stokes Flow Solutions with the Project Fire-II Flight Data” // AIAA 94-1955. 1994. 15 p.
6. Surzhikov S.T. Radiative-Collisional Models in Non-Equilibrium Aerothermodynamics of Entry Probes // Journal of Heat Transfer. 2012. V. 134. P. 031002-1.
7. Мартин Дж. Вход в атмосферу. Введение в теорию и практику. М.: Мир, 1969. 320 с. (John J. Martin Atmospheric Reentry. An Introduction to its Science and Engineering. Prentice-Hall, Inc., Englewood Gliffs N.J.)
8. Bertin J. Hypersonic Aerothermodynamics // AIAA Education Series, AIAA, N.Y., 1993. 608 p.
9. Стулов В.П., Мирский В.Н., Вислый А.И. Аэродинамика болидов. М.: Наука, 1995. 236 с.
10. Fenster S.J. Stagnation-Point Heat Transfer for a New Binary Air Model Including Dissociation and Ionization // AIAA J., 1965. V. 3. № 12. P. 2189.
11. Tauber M.E., Sutton K. Stagnation-Point Radiative Heating Relations for Earth and Mars Entries // J. Spacecraft. 1991. V. 28. № 1. P. 40.
12. Биберман Л.М., Бронин С.Я., Лагарьков А.Н. Радиационно-конвективный теплообмен при гиперзвуковом обтекании затупленного тела // Изв. АН СССР. МЖГ. 1972. № 5. С. 112.
13. Олстед У.В. Соотношения для радиационной теплопередачи в критической точке // РТК. 1969. Т. 7. № 1. С. 209. (Olstad W.B. Correlations for Stagnation-Point Radiative Heat Transfer // AIAA J. 1969. V. 7. № 1. P. 170.
14. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. М.: Энергия. 1976. С. 290.
15. Johnson J.E., Starkey R.P., Lewis M.J. Aerothermodynamic Optimization of Reentry Heat Shield Shapes for a Crew Exploration Vehicle // Journal of Spacecraft and Rockets. 2007. V. 44. № 4. P. 849.
16. Brandis A.M., Johnston C.O. Characterization of Stagnation-Point Heat Flux for Earth Entry // AIAA 2014-2374. 2014. 20 p.
17. Olynick D., Chen Y.-K., Tauber M.E. Aerothermodynamics of the Stardust Sample Return Capsule // Journal of Spacecraft and Rockets. 1999. V. 36. № 3. P. 442.
18. Shang J.S., Surzhikov S.T. Simulating Stardust Earth Reentry with Radiation Heat Transfer // Journal of Spacecraft and Rockets. 2011. Vol. 48. № 3. P. 385.
19. Ried R.C. Jr., Rochelle W.C., Milhoan J.D. Radiative Heating to the Apollo Command Module: Engineering Prediction and Flight Measurements // NASA TM X-58091. 1972.
20. Lovelace U.M. Charts Depicting Kinematic and Heating Parameters for a Ballistic Reentry at Speeds of 26,000 to 45,000 Feet per Second // NASA TND-968. October 1961.
21. Djadkin A., Beloshitsky A., Shuvalov M., Surzhikov S. Nonequilibrium Radiative Gasdynamics of Segmental-Conical Space Vehicle of Large Size. AIAA paper 2011- 0453. 2011. 29 p.
22. Суржиков С.Т. Радиационная газовая динамика спускаемых космических аппаратов. Многотемпературные модели. М.: ИПМех РАН. 2013. 706 с.
23. Суржиков С.Т., Шувалов М.П. Тестирование расчетных данных по радиационному и конвективному нагреву спускаемых космических аппаратов нового поколения// ТВТ. 2013. Т.51. №3. С.456-470. (Surzhikov S.T., Shuvalov M.P. Checking Computational Data on Radiative and Convectional Heating of Next Generation Spacecraft. Heat Transfer. 2013. Vol.51. No.3. pp.408-420.)
24. Агафонов В.П., Вертушкин В.К., Гладков А.А., Поляков О.Ю. Неравновесные физико-химические процессы в аэродинамике. М.: Машиностроение, 1972. С. 226.
25. Goulard R. The Coupling of Radiation and Convection in Detached Shock Layers // J. Quant. Spectrosc. Radiation Transfer. 1961. V. 1. P. 249.
26. Баула Г.Г., Маркелова Т.В., Николаев В.М., Пластинин Ю.А., Румынский А.Н., Сипачёв Г.Ф., Суржиков С.Т. Методические указания. Модель излучения высокотемпературных газовых объемов для расчета теплообмена летательных аппаратов. РД 50-25645.114-84. М.: Изд-во стандартов, 1984. 59 с.
27. Park Ch. Stagnation-Point Radiation for Apollo 4 - A Review and Current Status // AIAA paper 2001-3070. 2001. 16 p.
28. Park C. Review of Chemical-Kinetic Problems of Future NASA Missions, I: Earth Entries // J. of Thermophysics and Heat Transfer. 1993. V. 7. № 3. P. 385.
29. Dunn M.G., Kang S.W. Theoretical and Experimental Studies of Reentry Plasmas. NASA CR-2232. 1973.
30. Treanor C.E., Marrone P.V. Effect of Dissociation on the Rate of Vibrational Relaxation // The Physics of Fluids. 1962. V. 5. № 9. P. 1022.
31. Кузнецова Л.А., Кузьменко Н.Е., Кузяков Ю.Я., Пластинин Ю.А. / Под ред. Р.В. Хохлова. Вероятности оптических переходов двухатомных молекул. М.: Наука, 1980. 319 с.
32. Кузьменко Н.Е., Кузнецова Л.А., Кузяков Ю.Я. Факторы Франка – Кондона двухатомных молекул. М.: Изд-во Московского университета, 1984. 339 с.
33. Суржиков С.Т. Вычислительный эксперимент в построении радиационных моделей механики излучающего газа. М.: Наука, 1992. 157 с.
34. Djadkin A., Beloshitsky A., Shuvalov M., Surzhikov S. Nonequilibrium Radiative Gasdynamics of Segmental-Conical Space Vehicle of Large Size. AIAA 2011- 0453. 2011. 29 p.
35. Суржиков С.Т. Радиационная газовая динамика спускаемых космических аппаратов больших размеров // ТВТ. 2010. Т.48. № 6. С. 956.