● 摘要
探月上升器主发动机工作时会产生强烈的喷焰，这些喷焰会直接作用在着陆器顶部表面，如果没有专门的导流机构，发动机羽流经着陆器顶部表面反射会对着陆器和上升器产生强烈的气动力、热作用，并对发动机的性能也有一定影响。因此，开展基于着陆平台的上升器月面稳定起飞羽流导流技术研究，是确保上升器稳定起飞的关键。上升器月面起飞过程工作环境为真空环境，羽流从发动机出口面喷出后，很快从连续流区向过度领域流乃至自由分子流转换，不能使用求解N-S方程的方法对流场进行全程计算，DSMC方法可以计算气流流动的三个领域，但由于航天器发动机内流场、近发动机出口流场以及近导流机构流场密度、压强很高，目前的计算条件无法提供DSMC方法计算所需要的计算资源，故本文使用N-S方程和DSMC耦合求解的方法，具体步骤为：首先求解N-S方程得到发动机的内流场和喷流导流流场，并选取合适的截面得到喷流DSMC计算的粒子入口条件；然后使用三维DSMC法计算发动机羽流回流流场。通过对上升器发动机羽流场数值仿真，得到流场参数，研究流场对发动机性能影响，分析羽流对上升器及着陆器的气动力、热作用；通过多种工况对比，分析平板导流、内凹槽导流和圆锥导流的优劣，结果表明，对于本文研究的三种导流机构构型，圆锥导流机构的反流对上升器气动力、热最小，最有利于上升器稳定起飞；本文最后提供了部分试验数据与仿真结果的对比，对数值模拟结果进行了验证。