火星探測(cè)器表面材料催化特性數(shù)值模擬研究

劉慶宗，董維中，丁明松，高鐵鎖，江 濤，傅楊?yuàn)W驍

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心計(jì)算空氣動(dòng)力研究所，綿陽(yáng)621000)

0 引 言

近年來(lái)，國(guó)際深空探測(cè)領(lǐng)域掀起了火星探測(cè)活動(dòng)的熱潮。與地球大氣(N2和O2)相比，火星大氣比較稀薄，主要組分為熱化學(xué)特性十分活躍的CO2，探測(cè)器進(jìn)入火星大氣過(guò)程中的熱化學(xué)非平衡效應(yīng)顯著，氣動(dòng)加熱問(wèn)題嚴(yán)重而復(fù)雜，而表面材料的催化作用會(huì)嚴(yán)重影響探測(cè)器的氣動(dòng)熱環(huán)境[1]。研究表明不同表面催化熱流差別可達(dá)3倍[2-4]，氣動(dòng)加熱計(jì)算與熱防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮表面材料的催化特性。常用的催化模型有表面完全非催化和完全催化，分別對(duì)應(yīng)表面最低熱流和最大熱流，熱防護(hù)設(shè)計(jì)一般以完全催化熱流為參考，這在Phoenix和MSL設(shè)計(jì)中都有采用[5-6]?；谟钪孢h(yuǎn)程航行與探測(cè)器安全著陸的需求，熱防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)質(zhì)量盡可能輕且性能可靠，完全催化熱流偏于保守[1]，會(huì)增大防熱材料設(shè)計(jì)重量，對(duì)飛行任務(wù)不利，最好能采用有限速率表面催化模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器氣動(dòng)熱環(huán)境的精準(zhǔn)模擬。

經(jīng)典的表面催化過(guò)程包括表面吸附反應(yīng)、基于Rideal-Eley(R-E)或者Langmuir-Hinshelwood(L-H)機(jī)理的表面復(fù)合反應(yīng)以及解附反應(yīng)等過(guò)程，常用催化效率模型來(lái)衡量催化反應(yīng)速率[7]。對(duì)于火星大氣CO2-N2高溫混合氣體體系，組分種類多而復(fù)雜[8]，不同組分之間會(huì)發(fā)生不同的催化反應(yīng)，反應(yīng)包括同質(zhì)原子或異質(zhì)組分的復(fù)合，不同催化反應(yīng)之間會(huì)相互競(jìng)爭(zhēng)吸附的表面組分，因此表面催化過(guò)程極其復(fù)雜，模擬難度很大。

20世紀(jì)90年代，Chen等[9]鑒于火星探測(cè)器壁面附近N和C原子濃度很低，只考慮了CO2和O2復(fù)合兩個(gè)反應(yīng)。Mitcheltree等[10]建立了基于CO2復(fù)合的R-E機(jī)理催化模型，Gupta等[2]考慮了O2和CO2復(fù)合的R-E機(jī)理，Papadopoulos等[11]將催化系數(shù)為1作為熱流上界，Milos等[3]用該模型計(jì)算了MPF氣動(dòng)加熱，Afonina等[12]進(jìn)一步加入了N2復(fù)合。Bose等[4]發(fā)展了不考慮具體催化機(jī)理的參數(shù)模型，包含催化效率γ和反應(yīng)偏向參數(shù)p2，p2為0或1時(shí)分別表示催化反應(yīng)偏向CO2復(fù)合或O2復(fù)合。但催化效率模型從地面試驗(yàn)外推到飛行狀態(tài)時(shí)有一定局限[13]，最好能建立詳細(xì)表面催化反應(yīng)模型。文獻(xiàn)[14-15]發(fā)展了對(duì)表面物理化學(xué)現(xiàn)象描述較全面的有限速率表面動(dòng)力學(xué)模型，能模擬吸附、R-E和L-H催化機(jī)理等多種化學(xué)反應(yīng)形式，但反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，需要的模型參數(shù)很多，難以向不同材料或者熱環(huán)境狀態(tài)下進(jìn)行推廣。

目前，文獻(xiàn)中一般考慮O+O→O2和CO+O→CO2這兩個(gè)催化復(fù)合反應(yīng)，由于二者會(huì)相互競(jìng)爭(zhēng)O原子，其反應(yīng)強(qiáng)弱會(huì)對(duì)熱流有重大影響。Kolesnikov等[16]用平均催化效率衡量這兩個(gè)反應(yīng)，并通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算給出了石英表面平均催化效率隨壁溫的擬合關(guān)系式，后又用兩個(gè)不同催化效率分別描述[17]，給出了修正后的表面催化效率。Sepka等[18]發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)條件下O2復(fù)合比CO2復(fù)合占優(yōu)，Marschall等[19]也發(fā)現(xiàn)室溫下以O(shè)2復(fù)合反應(yīng)為主。在計(jì)算MSL縮比模型試驗(yàn)算例時(shí)，McLean等[20]的高焓狀態(tài)完全催化熱流結(jié)果比試驗(yàn)更高，而Holli等[21]采用O+O→O2催化反應(yīng)效率為1的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)吻合得更好。但對(duì)于典型進(jìn)入過(guò)程的表面溫度范圍1500 K～3000 K，尚不清楚實(shí)際哪一反應(yīng)占主導(dǎo)地位。

國(guó)內(nèi)火星探測(cè)研究起步較晚，許多文獻(xiàn)中采用了完全氣體等效比熱比方法[22]，未充分考慮高溫氣體非平衡效應(yīng)，部分文獻(xiàn)[23]非平衡計(jì)算時(shí)采用了完全催化和完全非催化模型，關(guān)于有限速率表面催化模型的研究很少。苗文博等[24]針對(duì)地球大氣研究了相對(duì)簡(jiǎn)單的同質(zhì)原子催化復(fù)合反應(yīng)，楊肖峰等[25]對(duì)火星環(huán)境高超聲速催化加熱特性做了初步研究，而關(guān)于催化作用影響規(guī)律的詳細(xì)研究亟待開(kāi)展。

本文針對(duì)火星探測(cè)器表面材料催化問(wèn)題，基于自主研發(fā)的氣動(dòng)物理流場(chǎng)計(jì)算軟件平臺(tái)(AEROPH_Flow)以及火星大氣物理化學(xué)模型，建立有限速率表面催化模型，對(duì)典型火星探測(cè)器和典型飛行軌道狀態(tài)開(kāi)展熱化學(xué)非平衡流動(dòng)數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究表面催化條件變化對(duì)火星探測(cè)器非平衡流場(chǎng)和氣動(dòng)熱環(huán)境的影響規(guī)律，為我國(guó)未來(lái)先進(jìn)的火星探測(cè)器熱防護(hù)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 計(jì)算方法

1.1 數(shù)值模擬方法

控制方程是三維熱化學(xué)非平衡Navier-Stokes方程，無(wú)量綱化形式如下[26]：

(1)

式中：Q是守恒變量；ρi是組分i的密度；u,v,w為直角坐標(biāo)下三個(gè)方向的速度；E為總能；EV為分子組分總振動(dòng)能；Re是雷諾數(shù)；F，G，H與FV，GV，HV分別對(duì)應(yīng)不同方向的對(duì)流項(xiàng)與黏性項(xiàng)；W為非平衡源項(xiàng)；wi是組分i的化學(xué)非平衡源項(xiàng)；wV是振動(dòng)非平衡源項(xiàng)?？刂品匠滩捎肁USMPW+格式離散，時(shí)間推進(jìn)采用全隱式LU-SGS方法。

1.2 物理化學(xué)模型

化學(xué)反應(yīng)模型常采用僅考慮CO2的5組分6反反應(yīng)模型[27]或者包含火星大氣主要組分CO2和N2的8組分12反應(yīng)模型[9]，反應(yīng)速率系數(shù)取自Park模型[8]?；瘜W(xué)生成源項(xiàng)計(jì)算參考文獻(xiàn)[26]。

熱力學(xué)模型采用兩溫度模型，能量關(guān)系式、振動(dòng)非平衡源項(xiàng)計(jì)算見(jiàn)文獻(xiàn)[26]。CO2有多個(gè)振動(dòng)模態(tài)，其振動(dòng)能為各模態(tài)能量之和，振動(dòng)松弛時(shí)間采用Camac公式[27]。輸運(yùn)參數(shù)計(jì)算見(jiàn)文獻(xiàn)[26]。

1.3 表面催化模型與壁溫條件

完全非催化(NCW)和完全催化(FCW)條件可參考文獻(xiàn)[26]，有限催化(PCW)壁面主要考慮CO2和O2復(fù)合兩個(gè)催化反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：

CO+O→CO2，ΔE=532 kJ/mol

(R1)

(R2)

采用催化效率模型來(lái)描述各反應(yīng)強(qiáng)度[2-4,7,16-19]，上述反應(yīng)被認(rèn)為不可逆，反應(yīng)速率常數(shù)如下：

(2)

式中:r是催化反應(yīng)個(gè)數(shù)，Mr是組分摩爾質(zhì)量，Tw是壁面溫度。催化效率γr取值在0～1之間，是與Tw等參數(shù)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式，可通過(guò)試驗(yàn)擬合得到[18-19]。這里用γ1和γ2分別表示R1和R2反應(yīng)中的催化效率。

對(duì)于R2單一原子的復(fù)合反應(yīng)，反應(yīng)速率與O2生成的質(zhì)量通量為：

(3)

JO2=kw,2ρO

(4)

R1反應(yīng)是異質(zhì)組分的復(fù)合，反應(yīng)進(jìn)程要受到濃度較小的反應(yīng)物限制，且R1和R2并不獨(dú)立，會(huì)競(jìng)爭(zhēng)消耗O原子。若CO相對(duì)富足，反應(yīng)速率受O原子濃度限制，反應(yīng)速率與組分質(zhì)量通量形式如下：

(5)

JO=-kw,1ρO-kw,2ρO

(6)

JCO=-kw,1ρOMCO/MO

(7)

JCO2=kw,1ρOMCO2/MO

(8)

反之若反應(yīng)中O原子相對(duì)富足，則有：

(9)

JO=-kw,1ρO-kw,2ρCOMO/MCO

(10)

JCO=-kw,1ρCO

(11)

JCO2=kw,1ρCOMCO2/MCO

(12)

其他組分滿足表面非催化條件。

表面組分質(zhì)量守恒條件為：

(13)

式中：Ci，Di分別為組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和擴(kuò)散系數(shù)。

壁溫常采用等溫壁條件，但為了更接近真實(shí)的進(jìn)入飛行狀態(tài)，考慮輻射平衡表面溫度分布條件[28]：

(14)

式中：ε是材料輻射系數(shù)，σ是斯特藩-波爾茲曼常數(shù)，qw是表面熱流。

2 算例驗(yàn)證

為驗(yàn)證計(jì)算方法的正確性，選取MSL縮比模型風(fēng)洞試驗(yàn)算例[20-21]。本文展示典型工況Run11的結(jié)果，試驗(yàn)中自由來(lái)流條件和組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1，來(lái)流攻角為16°。計(jì)算中采用5組分Park化學(xué)反應(yīng)模型、熱力學(xué)兩溫度模型、等溫壁Tw=300 K，表面催化采用NCW、FCW和基于R2反應(yīng)催化效率為1的PCW模型，主要考核激波位置、壓力以及表面熱流分布。圖1為流場(chǎng)壓力分布云圖以及激波形狀與風(fēng)洞紋影圖片的對(duì)比，二者激波形狀和脫體距離基本一致，表明對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)正確可信。圖2給出了中心線上壓力和熱流分布與文獻(xiàn)和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，總體上都十分吻合，試驗(yàn)熱流處于FCW熱流和NCW熱流之間，與PCW熱流十分接近，遠(yuǎn)低于FCW熱流，采用PCW條件大大降低了熱流預(yù)測(cè)的不確定度?？偟膩?lái)說(shuō)，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果一致，計(jì)算方法的正確性得到驗(yàn)證。

表1 Run11工況自由來(lái)流狀態(tài)與組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Freestream conditions and mass fraction composition

3 計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算外形為典型70°球錐大鈍頭外形，最大圓截面半徑為1.7 m。大底外形與網(wǎng)格見(jiàn)圖3，采用軸對(duì)稱網(wǎng)格，壁面網(wǎng)格足夠正交且適當(dāng)加密。計(jì)算高度H=40 km，速度V=4.2 km/s，攻角為0°，火星大氣組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)取為CCO2=0.98，CN2=0.02。計(jì)算中采用8組分Park化學(xué)反應(yīng)模型、熱力學(xué)兩溫度模型、輻射平衡表面溫度條件，催化模型分別采用NCW、FCW和PCW條件，其中PCW壁面的催化效率分別取為1.0，0.1，0.01，0.001，0.0001，以研究表面催化效率變化的影響規(guī)律。

3.1 催化特性對(duì)流場(chǎng)組分分布的影響

實(shí)際飛行時(shí)的表面催化過(guò)程中，由于尚不清楚R1和R2中哪個(gè)反應(yīng)占主導(dǎo)，這里考慮三種情況：1)R1反應(yīng)占主導(dǎo)；2)R2反應(yīng)占主導(dǎo)；3)R1和R2反應(yīng)同等重要，用一個(gè)平均催化效率來(lái)衡量[18]。

圖4給出了頭部駐點(diǎn)線上組分分布以及NCW條件下平動(dòng)和振動(dòng)溫度分布，可見(jiàn)，對(duì)于激波很薄的頭部駐點(diǎn)附近，催化條件對(duì)壁面附近的組分分布有重大影響，對(duì)其他區(qū)域影響較小。

圖5給出了僅考慮R1反應(yīng)時(shí)不同催化條件下頭部駐點(diǎn)附近的組分分布。可見(jiàn)，PCW條件下隨催化效率增大，催化復(fù)合反應(yīng)增強(qiáng)，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，CO和O質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，F(xiàn)CW和NCW結(jié)果基本為CO2、CO和O等組分的上下限。γ1=0.0001時(shí)，表面催化效應(yīng)很弱，組分分布與NCW結(jié)果接近；催化效率較低時(shí)(γ1≤0.01)，壁面附近有一定程度的催化反應(yīng)發(fā)生，生成了一部分CO2，但CO和O都有剩余；γ1從0.1增大到1時(shí)，O原子差不多被復(fù)合反應(yīng)完全消耗，催化復(fù)合反應(yīng)接近極限，CO還有剩余且變化不大，但此時(shí)CO2和CO組分分布與FCW結(jié)果仍有較大差別。

可以基于模型的表面反應(yīng)過(guò)程來(lái)解釋這一現(xiàn)象。計(jì)算狀態(tài)的進(jìn)入速度為4.2 km/s，不算很高，流場(chǎng)激波不夠強(qiáng)，波后離解組分會(huì)發(fā)生O+O?O2,N+O?NO等反應(yīng)生成O2,NO分子(見(jiàn)圖4和圖5(a))，從而消耗O原子，即流場(chǎng)中還同時(shí)存在O2,NO等分子的復(fù)合過(guò)程，這些O2,NO等組分在壁面附近并沒(méi)有完全離解成O原子狀態(tài)，因此壁面發(fā)生R1反應(yīng)時(shí)的O相對(duì)CO來(lái)說(shuō)是不足的，無(wú)法完全復(fù)合成CO2；而FCW條件沒(méi)有考慮表面動(dòng)力學(xué)過(guò)程，直接將壁面組分設(shè)為來(lái)流狀態(tài)，不會(huì)有O2,NO等分子存在(見(jiàn)圖4和圖5(a))，離解產(chǎn)生的CO和O能在壁面完全復(fù)合為CO2。如果壁面還發(fā)生了R2反應(yīng)，壁面O原子會(huì)被R2反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)消耗，有O2分子組分生成，其組分分布也會(huì)與FCW結(jié)果差別很大。

由上述分析可知，要使PCW與FCW條件下壁面附近組分分布接近，至少要滿足：1)進(jìn)入速度很高，大底前激波很強(qiáng)，壁面附近CO2離解組分主要以CO和O形式存在，沒(méi)有在流場(chǎng)中復(fù)合生成O2和NO等分子組分；2)壁面主要發(fā)生R1反應(yīng)，且該反應(yīng)速率足夠大；3)CO和O的當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)散速率也應(yīng)比較接近。為驗(yàn)證上述條件，圖6給出相同條件下進(jìn)入速度V1=7.0 km/s且只考慮R1反應(yīng)時(shí)的組分和熱流結(jié)果，可以看到，此時(shí)流場(chǎng)中CO2幾乎完全離解，且離解組分主要以CO和O形式存在，R1反應(yīng)催化效率為1時(shí)的結(jié)果與FCW結(jié)果十分接近。

一般單質(zhì)雙原子分子的表面催化過(guò)程容易滿足上述條件，但對(duì)于CO2三原子分子，實(shí)際情況這三點(diǎn)都比較難以滿足。如果考慮詳細(xì)表面催化機(jī)理，異質(zhì)組分CO，O和O2的表面催化過(guò)程十分復(fù)雜，包含吸附、表面復(fù)合以及解附等一系列反應(yīng)過(guò)程，第二點(diǎn)很難得到保證。

從圖5還可以發(fā)現(xiàn)，O原子被多種反應(yīng)過(guò)程消耗，催化反應(yīng)進(jìn)程容易被O濃度不足限制，R1反應(yīng)中主要出現(xiàn)CO富足而O不足的情況，見(jiàn)式(5)～(12)。對(duì)于不參與R1反應(yīng)的組分如O2，NO等，計(jì)算中都采用了非催化條件，PCW與NCW結(jié)果接近。

圖7給出了僅考慮R2反應(yīng)和同時(shí)考慮R1-R2反應(yīng)時(shí)不同催化條件下頭部駐點(diǎn)附近O2組分分布，主要特點(diǎn)與圖5類似。需注意的是，有R2反應(yīng)發(fā)生時(shí)，壁面附近出現(xiàn)O2復(fù)合，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨催化效率增大而增大，在γ2=0.1～1.0時(shí)接近上限，因?yàn)楸诿娓浇麿原子是有限的。而FCW條件下壁面O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0(火星大氣來(lái)流條件為CO2和N2，沒(méi)有O2)，相比之下，PCW條件更能反映符合物理實(shí)際的表面催化過(guò)程。同時(shí)考慮R1和R2反應(yīng)時(shí)，有兩個(gè)反應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)消耗O原子，在催化效率達(dá)到極限時(shí)，壁面復(fù)合生成的O2濃度比僅考慮R2反應(yīng)時(shí)要低。

3.2 催化特性對(duì)氣動(dòng)熱環(huán)境的影響

以僅考慮R1反應(yīng)為代表，圖8給出了不同催化條件下的表面熱流分布，其分布規(guī)律基本相似，在頭部駐點(diǎn)和肩部有局部峰值，但不同催化條件下數(shù)值差別較大。表面催化復(fù)合是放熱反應(yīng)，NCW條件下基本沒(méi)有催化復(fù)合反應(yīng)發(fā)生，其表面熱流最低；PCW條件下隨催化效率增大，復(fù)合反應(yīng)增強(qiáng)，表面熱流增大；γ1=0.0001時(shí)，表面催化效應(yīng)很弱，熱流與NCW結(jié)果接近；γ1從0.1增大到1時(shí)，表面熱流較高且變化很小，但仍然比FCW熱流低。從前文分析可知，γ1≥0.1時(shí)催化反應(yīng)速率已接近極限，增大催化效率對(duì)熱流影響較小，而此時(shí)壁面組分未完全復(fù)合為CO2，部分組分(CO，O2等)中的化學(xué)焓未被釋放。FCW條件是直接將壁面組分設(shè)為最低化學(xué)焓狀態(tài)(一般為來(lái)流)，相當(dāng)于將壁面附近所有組分化學(xué)焓全部釋放出來(lái)，從而得到一個(gè)很高的熱流。

圖9給出了僅考慮R2反應(yīng)時(shí)傳導(dǎo)加熱項(xiàng)QwT(包括振動(dòng)非平衡氣動(dòng)加熱)與組分?jǐn)U散項(xiàng)Qwd對(duì)表面熱流的貢獻(xiàn)，可見(jiàn)，不同催化條件下傳導(dǎo)加熱項(xiàng)變化較小，組分?jǐn)U散項(xiàng)差別很大，當(dāng)前狀態(tài)下組分?jǐn)U散項(xiàng)熱流峰值從NCW時(shí)為0增大到FCW時(shí)約為120 kW/m2，表面催化條件的變化主要影響了組分?jǐn)U散熱流，從而改變探測(cè)器的表面熱流分布。

圖10給出了相同催化效率下不同催化反應(yīng)對(duì)熱流的影響。R1反應(yīng)放熱量為532 kJ/mol，相同O原子當(dāng)量下是R2反應(yīng)放熱量的兩倍多。在相同催化效率下，僅考慮R1反應(yīng)時(shí)的表面熱流比僅考慮R2反應(yīng)時(shí)更高；γ=0.1時(shí)，催化復(fù)合反應(yīng)接近極限，但考慮R1-R2催化時(shí)發(fā)生了R2反應(yīng)，放熱量偏小，其表面熱流比僅考慮R1反應(yīng)時(shí)低；γ=0.001時(shí)，催化反應(yīng)較弱，反應(yīng)組分比較富足，同時(shí)考慮R1-R2反應(yīng)時(shí)的表面催化反應(yīng)更強(qiáng)，故熱流最高。

圖11給出了駐點(diǎn)峰值熱流隨催化效率的變化，這是一個(gè)類S型變化曲線，可將催化特性對(duì)熱流的影響分為三個(gè)區(qū)域。弱催化區(qū)域(γ<0.001)的表面催化較弱，催化反應(yīng)過(guò)程和催化效率的變化對(duì)熱流影響都較??；中等強(qiáng)度催化區(qū)域(0.001≤γ≤0.1)，熱流對(duì)催化效率比較敏感；強(qiáng)催化區(qū)域(γ>0.1)，催化復(fù)合反應(yīng)接近極限，熱流隨催化效率變化較小，但不同反應(yīng)過(guò)程之間的熱流值有很大差別，且都比FCW熱流低。根據(jù)前文的反應(yīng)過(guò)程及放熱情況分析可知，γ=1時(shí)催化反應(yīng)接近極限，此時(shí)基本得到PCW熱流最大值，而單獨(dú)考慮R1或R2反應(yīng)時(shí)則分別得到這個(gè)最大值的上界和下界，同時(shí)考慮R1和R2反應(yīng)的熱流位于二者之間，該計(jì)算狀態(tài)下的FCW峰值熱流比PCW峰值熱流中最大值的上界和下界分別高25%和64%。防熱設(shè)計(jì)時(shí)FCW熱流一般作為保守設(shè)計(jì)參考，而PCW模型可根據(jù)實(shí)際飛行條件和表面材料的不同更精細(xì)預(yù)測(cè)表面熱流，能大大減輕防熱設(shè)計(jì)重量，對(duì)火星探測(cè)任務(wù)更有利。建議可采用γ=1時(shí)基于CO2復(fù)合的PCW峰值熱流作為參考，若實(shí)際情況中以R2反應(yīng)為主，防熱設(shè)計(jì)參考會(huì)更低。

3.3 催化特性對(duì)表面溫度分布的影響

圖12給出了不同表面催化條件下探測(cè)器表面溫度分布。在考慮變壁溫時(shí)，探測(cè)器表面溫度會(huì)因氣動(dòng)加熱而升高，其變化規(guī)律與表面熱流變化規(guī)律比較相似。而PCW條件預(yù)測(cè)的表面溫度會(huì)比FCW條件預(yù)測(cè)的更低，對(duì)熱防護(hù)設(shè)計(jì)更為有利。

4 結(jié) 論

基于自主研發(fā)的氣動(dòng)物理計(jì)算軟件平臺(tái)AEROPH_Flow，建立了火星探測(cè)器表面材料催化作用模型，通過(guò)MSL縮比模型風(fēng)洞試驗(yàn)算例對(duì)比驗(yàn)證了計(jì)算模型和方法的正確性，并對(duì)典型火星探測(cè)器開(kāi)展數(shù)值模擬研究，得到以下結(jié)論：

1)催化特性對(duì)流場(chǎng)組分分布有很大影響。PCW條件下復(fù)合生成組分濃度隨催化效率增大而增大，F(xiàn)CW和NCW結(jié)果則是反應(yīng)組分的上下限。催化效率較大時(shí)，O原子因參與多個(gè)反應(yīng)先被消耗完，催化反應(yīng)進(jìn)程受O原子濃度限制，導(dǎo)致PCW結(jié)果與FCW結(jié)果有較大差別。FCW條件下壁面O2濃度為0，而考慮了O2復(fù)合反應(yīng)時(shí)壁面卻有大量O2生成，相比之下，PCW條件更符合物理實(shí)際。

2)催化特性對(duì)探測(cè)器氣動(dòng)熱環(huán)境有重要影響，作用機(jī)理十分復(fù)雜。PCW熱流隨催化效率增大而增大，按影響程度可分為弱催化區(qū)、中等強(qiáng)度催化區(qū)和強(qiáng)催化區(qū)，各區(qū)域的影響規(guī)律有一定差別。相同催化效率下，考慮CO2復(fù)合時(shí)的表面熱流比考慮O2復(fù)合時(shí)更高。FCW熱流和NCW熱流給出了表面熱流的上下界，但FCW峰值熱流比γ=1時(shí)的PCW峰值熱流更高，本文狀態(tài)下高25%～64%。PCW模型能根據(jù)表面材料的催化特性精細(xì)化預(yù)測(cè)表面熱流，為防熱設(shè)計(jì)提供更精確合理的參考標(biāo)準(zhǔn)。

3)變壁溫條件下，催化條件對(duì)表面溫度分布的影響規(guī)律與熱流的相似，PCW條件預(yù)測(cè)的表面溫度會(huì)比FCW條件的更低，對(duì)熱防護(hù)設(shè)計(jì)更為有利。

本文主要針對(duì)表面非燒蝕情況，采用簡(jiǎn)單催化模型研究了催化特性對(duì)火星探測(cè)器非平衡流場(chǎng)和氣動(dòng)熱環(huán)境的影響規(guī)律。更精準(zhǔn)的模擬則需要建立詳細(xì)的表面催化動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)于表面燒蝕材料則需要對(duì)表面有限速率反應(yīng)與燒蝕有限速率反應(yīng)耦合分析，這將是下一步研究工作中的重要方向。