● 摘要
从东风一号导弹研制开始到目前把载人飞船送入预定轨道的长征二号F运载火箭，我国运载火箭的发展经历了一个由弱到强、由小到大的过程。随着对运载能力提高的要求，由单级火箭发展为采用级间热分离的多级火箭时，出现了级间段气动设计的新课题。级间热分离过程中，二级火箭主发动机在级间段内部点火，形成级间段舱内恶劣的压力环境和热环境；此外主发动机喷流和外流同时作用，还会影响两级火箭各自的姿态，带来稳定性和控制问题。本文应用数值计算方法模拟了XX 运载火箭一、二级级间热分离过程。分别开展了轴对称模型计算，忽略飞行攻角及主发动机推力偏斜条件下的三维流场计算，忽略二级尾舱内部件条件下在攻角平面内的三维流场计算。运载火箭级间热分离的数值模拟属于包含物体相对运动的非定常流场的求解问题，数值模拟这类问题必须进行飞行器绕流流场与运动轨迹的耦合计算。本文综合比较了对这类问题的各种计算方法，在此基础上选取重叠网格法对火箭级间热分离过程进行了时间精确的数值模拟。计算采用了自动挖洞和插值的Chimera重叠网格方法；对N-S方程中的对流项采用Van Leer格式进行分裂，粘性项则采用中心差分；采用点雅克比迭代法进行时间推进。本文的研究结果表明，采用Chimera重叠网格方法数值模拟运载火箭级间热分离过程是可行的。计算结果显示，级间热分离过程中，由于从级间段壁面反射回来燃气的冲击，级间段内将形成高温的热环境；喷流对一级受力和运动参数的影响大于二级，一级火箭受到的合力与合力矩在分离过程中随时间变化显著。级间解锁0.5s后，一级对二级的气动干扰消失。