航天器表面环境散射返回流污染数值模拟和影响因素分析

靳旭红，俞继军，黄 飞，程晓丽，黄育群



航天器表面环境散射返回流污染数值模拟和影响因素分析

靳旭红，俞继军，黄 飞，程晓丽，黄育群

（中国航天空气动力技术研究院，北京 100074）

针对航天器表面出气分子形成的环境散射返回流污染问题，利用试验粒子Monte Carlo方法对圆球和圆柱体简化航天器表面环境散射返回流进行数值模拟。其中，圆球出气表面的计算结果与已有的DSMC（Direct Simulation Monte Carlo）方法计算结果一致，验证了该方法的正确性。此外，对不同长径比的圆柱表面环境散射进行了计算和分析，结果表明：来流方向垂直于圆柱对称轴时，返回分子主要分布在圆柱体侧面的迎风部位；返回通量比随来流与出气分子质量之比的增加逐渐减小，随来流与出气表面温度之比、来流分子速度比和数密度的增加而增大；不同长径比条件下返回通量比相对于上述4个参数的变化具有相似性和递变性，短粗体的返回通量比最小，长细体的最大，正常圆柱体的则居中；返回通量比相对来流攻角的变化在不同长径比条件下不再具有相似性，而是取决于有效迎风面积。

出气分子；环境散射；返回流；试验粒子Monte Carlo；圆柱体；数值模拟

0 引言

航天器表面的出气分子污染主要来自表面材料的放气、喷流控制、废气排放等[1]。污染分子的

传输与航天器轨道环境、几何构型、污染源及敏感表面性质有关，其传输过程可以用Boltzmann方程进行描述，以稀薄气体动力学的研究为理论基础[2]。

在低地球轨道（高度约为200～400km）飞行的航天器表面发出的气体分子和稀薄大气来流分子碰撞引起散射效应，可能重新回到出气表面，形成返回流。返回流根据其产生机制分为自散射和环境散射，前者是由于出气分子之间发生碰撞导致，后者是由于出气分子和来流分子之间发生碰撞而形成，前者在量级上远小于后者[3]。衡量返回流大小的物理量是返回通量比（Return Flux Ratio, RFR），即返回出气表面的分子数与总出气分子数的比值。一般的，返回通量比很小，但也会严重影响航天器上某些外部敏感装置的性能[4]。比如，太阳电池板表面的返回流污染会降低其透射率，导致太阳能转化为电能的效率降低；透镜或反射镜等光学表面的返回流污染也会降低镜面透射率或反射率，使光学测量精度下降，从而影响航天器的总体性能[5]。而且，航天器一般设计成敏感表面之间的视线因子达到最小，从而使直接流污染量最小，大部分出气分子离开出气表面后直接进入宇宙空间，导致环境散射返回流成为最大的污染源之一。因此，在航天器设计中必须对环境散射返回流表面累积污染进行精确的预测和控制[6]。

对于返回流问题，早期多应用Bhatnager- Gross-Krook（BGK）模型进行分析[7-8]，后来Bird[1]采用直接模拟Monte Carlo（Direct Simulation Monte Carlo, DSMC）技术对圆球表面出气分子形成的环境散射返回流污染问题进行了数值模拟，并根据模拟结果针对特定外形整理出一套经验公式供工程使用。然而，环境散射流的各向异性导致处理其引起的污染问题存在诸多困难。常见的稀薄气体动力学分析方法，如BGK模型和DSMC技术在这个问题上都显得低效，前者因分析过于复杂而无法应用于工程，后者则需要耗费相当长的计算时间和巨大的存储量[5]。试验粒子Monte Carlo（Test Particle Monte Carlo, TPMC）方法[9]是一种随机模拟方法，适用于无碰撞或近自由分子流区的气体流动，其区别于DSMC方法的明显特点是仿真分子是顺序而非同时产生的，1次只产生1个试验粒子，因此不会耗费太多的计算时间和存储量，更适用于复杂边界导致的多重表面反射流动问题[10]。Fan等首次将TPMC方法用于简单航天器表面出气导致的自散射和环境散射返回流问题[3]。Guo和Liaw也做了类似的研究，结果表明TPMC方法相比于DSMC方法可节省大量的计算时间，又比BGK模型的结果精确，从而在航天器表面污染预测中更实用[11]。

本文在前人对圆盘[3]、圆球[11]表面环境散射问题的研究基础上，考虑圆柱体简化航天器表面出气分子形成的环境散射返回流污染问题，简要介绍TPMC方法的模拟过程，并计算圆球表面环境散射返回流，与前人的DSMC结果对比以进行验证。在方法验证的基础上，对不同出气和来流条件下圆柱体表面环境散射返回流进行计算和对比，分析不同几何参数（圆柱的长度与半径之比）对返回通量比的影响，并从分子动理学的观点进行解释。

1 TPMC模拟方法

TPMC方法主要步骤为：首先，构建足够大的计算域并在出气表面产生1个试验粒子；然后，跟踪和模拟该试验粒子之后的运动轨迹和碰撞过程，直到其飞出计算域或撞到出气表面；最后，重复上述过程直至试验粒子数足够多，以保证计算结果收敛，统计返回通量比。

1.1 构建计算域

对于圆柱表面环境散射返回流（如图1所示）问题，计算域为球心位于圆柱几何中心的圆球体，其半径为

max=·max(b,b/2)， (1)

其中：b为圆球表面半径；b为圆柱长度；为确定计算域尺寸的正参数。经验证发现，=30时可以忽略计算域外的分子活动对返回流的影响，获得统计上足够稳定的结果[12]。

图 1 圆柱表面出气分子环境散射返回流流动示意图和坐标系