一种高速飞行状态下的飞行器电磁特性建模方法

技术领域

本发明属于目标特性研究领域，具体涉及一种高超声速飞行器飞行状态下的电磁特性建模方法。

背景技术

近年来，高速飞行器技术在军用和民用领域快速发展，其典型代表是临近空间高超声速飞行器技术。高超声速飞行器高速再入大气层时，由于强烈的激波压缩和粘性摩擦作用，飞行器周围的温度迅速升高，使空气发生离解和电离，也使防热材料被烧蚀，使得在再入体周围形成十分复杂的、由几十种化学组分组成的高温等离子体鞘套，并在尾部形成等离子体尾迹，这使得高超声速飞行器特性具备很多独有的特性，常规的空气流场建模方法也不再使用。

主要原因是以下几点：

(1)、高速飞行使得高超声速飞行器周围流场存在负载的热化学非平衡耦合效应，常规的流场计算方法无法对该过程进行有效计算。

超声速流动并非普通超声速可压缩流动在Mach数上的简单延拓，其特性更为复杂。在极高速飞行条件下，自由来流经飞行器产生的激波强烈压缩后，大量动能转化为热能，粒子平动温度急剧升高。一方面，自由来流中各组分粒子的内能模态受高温激发，甚至产生热辐射，同时由于粒子间相互碰撞频率较低，内能模态激发过程往往伴随着热非平衡松弛现象；另一方面，各组分粒子之间发生化学反应，包括离解、中性交换，以至结合性电离和电子碰撞电离等。上述内能模态激发和松弛过程与高温化学反应之间存在强烈的耦合作用，统称为热化学非平衡耦合效应。高超声速飞行器等离子体流场的特殊性分析如附图 1所示。

在常规的流场建模方法中，主要是利用描述质量守恒的连续方程和动量守恒方程求解流场特性，在此基础上以目标的几何特性为边界条件，进行流场的CFD仿真，进而获取目标的电磁特性。这种方法的计算实际上忽略了复杂的热化学非平衡耦合效应。而在高超声速飞行器周围的流场中，热化学非平衡耦合效应很强，已经无法忽略。

(2)、等离子鞘套与电磁波相互作用，对高超声速飞行器的目标特性产生较大影响。

由于等离子鞘套的存在，高超声速飞行器的雷达截面就不只由目标本体引起，而是包括等离子体鞘套的贡献。由于再入过程中，等离子体鞘套的物理化学特性变化非常剧烈，因而导致再入目标的目标特性也出现剧烈变化。必须考虑等离子鞘套的影响，才能对高超声速飞行器的电磁特性进行准确计算。

(3)、电磁波对等离子鞘套进行探测时，会使得等离子鞘套的温度升高，进而影响高超声速飞行器的电磁特性。

由于等粒子体场的存在，高功率微波对其进行电磁探测时，电磁波会对等粒子体进行加热，进而使得流场和电磁场之间的作用相互耦合，会明显影响高超声速飞行器的电磁特性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的补足，提供一种高超声速飞行器飞行状态下的电磁特性建模方法，对高超声速飞行器动态飞行过程进行精细化建模仿真。

本发明解决技术的方案是：一种高速飞行状态下的飞行器电磁特性建模方法，该方法包括如下步骤：

(1)、构建建模工况：包括高超声速飞行器的几何构型、材料特性，以及高超声速飞行器高速飞行状态下的飞行马赫数、飞行高度；

(2)、建立高超声速飞行器的流场模型，所述流场模型包括高超声速飞行器N

(3)、根据步骤(2)建立的高超声速飞行器的流场模型，求解高超声速飞行器表面等离子体的流场分布参数，包括温度T的空间分布和每一种组分密度ρ

(4)、根据温度T、电子浓度n

(5)、利用步骤(1)中的高超声速飞行器的材料特性和几何特性，得到高超飞行器本体介电常数ε

(6)、计算探测电磁波对高超声速飞行器表面等离子鞘套的加热量，并叠加在高超声速飞行器的流场模型中总能量方程的辐射能量源项ω

(7)、根据上述步骤确定的高超飞行器整体的介电常数ε

第s种组分连续方程满足：

其中，x

所述总连续方程为：

其中，x

所述总动量方程为：

其中，τ

δ

所述总能量方程为：

其中，e和h分别表示总比能和总比焓，η为总热导率；h

所述第s种组分质量扩散系数Y

所述步骤(4)的具体步骤如下：

(S4.1)、利用温度T、电子浓度n

其中，e表示电子电量常数，ε

(S4.2)、引入探测电磁波的数学表达式，采用如下公式计算在该频率电磁波下对应的等离子体的介电常数：

其中，ω表示探测电磁波的角频率；

(S4.3)、采用如下公式计算在该频率电磁波下对应的等离子体的电导率：

其中，ε

所述步骤(3)采用CFD数值方法进行求解。

所述步骤(6)计算探测电磁波对高超声速飞行器表面等离子鞘套的加热量 Q

其中，

所述步骤(7)采用矩量法计算得到高速飞行器整体的雷达反射截面积。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明通过组分连续方程、总连续方程、动量守恒方程、质量守恒方程连立求解的方式，对高温下出现的热化学非平衡效应进行了精确数学描述，提升了模型的精度；

(2)、本发明综合求解了高速飞行器本体及其表面等离子体鞘套的整体雷达反射截面积，提升了模型的精度；

(3)、本发明在流场和电磁场的计算中进行流场和电磁场耦合分析，实现了对等离子鞘套与电磁波相互作用过程的数学建模表征，提升了模型的精度。

附图说明

图1为本发明实施例高超声速飞行器等离子体流场的特殊性分析；

图2为本发明实施例高速飞行状态下的飞行器电磁特性建模方法流程图；

图3为本发明实施例HTV-2计算网格划分；

图4为本发明实施例HTV-2温度分布(单位：K)；

图5为本发明实施例HTV-2电子浓度分布(以10为底对数，单位：par/m3)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

为实现上述目的，本发明提供一种高速飞行状态下的飞行器电磁特性建模方法。通过在常规流场描述质量守恒的组分连续方程、总连续方程和动量守恒方程的基础上，引入能量守恒方程，以分析热化学非平衡耦合效应等因素的影响。并在分析高速飞行中的高超声速飞行器时，利用时域有限差分法，全面分析鞘套、高超本身与电磁波的相互作用。并适用多物理场分析方法描述微波与等离子场的相互作用。以实现对种高速飞行中的高超声速飞行器精细化建模。

如图2所示，本发明提供的一种高速飞行状态下的飞行器电磁特性建模方法具体步骤包括：

步骤1：构建建模工况，包括高超声速飞行器的几何构型、材料特性，以及高超声速飞行器高速飞行状态下的飞行马赫数、飞行高度；这些量同时也作为建模的边界条件，后续计算中需要用到的大气压、大气温度、空气组分等参数由飞行高度决定；

步骤2：建立高超声速飞行器的流场模型，所述流场模型包括高超声速飞行器N

在笛卡尔坐标系下，由N

其中，x

各组分连续方程的叠加，得到总连续方程为：

其中，x

总动量方程为：

其中，τ

δ

总能量方程为：

其中，e和h分别表示总比能和总比焓，η为总热导率；h

第s种组分质量扩散系数Y

根据三温度模型理论，分子总振动能量方程可表达为

总电子能量方程可写成

于是，总能量方程可以变形为：

其中，η

步骤3：根据步骤(2)建立的高超声速飞行器的流场模型，采用CFD数值方法求解获得高超声速飞行器表面等离子体的流场分布参数，包括温度T的空间分布和每一种组分密度ρ

具体步骤包括：

(1)、基于本构关系、守恒方程组源项模型对守恒方程组进行数学变形；

(2)、采用基于Favré平均的k-ωSST两方程模型，离散化后采用CFD 算法进行计算得到温度T的空间分布和第s种组分密度ρ

步骤4、根据温度T、电子浓度n

所述步骤(4)的具体步骤如下：

(S4.1)、利用温度T、电子浓度n

其中，e表示电子电量常数，ε

(S4.2)、引入探测电磁波的数学表达式，采用如下公式计算在该频率电磁波下对应的等离子体的介电常数：

其中，ω表示探测电磁波的角频率；

(S4.3)、采用如下公式计算在该频率电磁波下对应的等离子体的电导率：

其中，ε

依据本算法对HTV-2飞行器进行等离子体场建模网格如附图3所示，温度分布算例结果附图4所示，电子浓度分布算例结果附图5所示。

步骤5、利用步骤1中的高超声速飞行器的材料特性和几何特性，得到高超飞行器本体介电常数ε

步骤6、计算探测电磁波对高超声速飞行器表面等离子鞘套的加热量，并叠加在高超声速飞行器的流场模型中总能量方程的辐射能量源项ω

计算探测电磁波对高超声速飞行器表面等离子鞘套的加热量Q

其中，

步骤7、根据上述步骤确定的高超飞行器整体的介电常数ε

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。