[科普中国]-再入模拟

再入过程一般是指飞行器进入高度100km以下大气层的过程。高速飞行器从外层空间再入大气层时，其速度很大，地球轨道飞行器和其他星球探测器，如月球探测器，再入速度约为第一、第二宇宙速度，洲际弹道导弹弹头的再入速度为7km/s左右。再入时飞行器具有很高初始动能，同时在地球引力场中，还具有所处再入高度上的位能，随高度下降，位能的变化将转化为对周围大气做功，其中一部分功将转化为热能，因此再入体头部将承受很高的热负荷，再入飞行器重返大气层期间(包括弹道式导弹、飞船返回舱、回收式卫星等的再入段，以及各类验证机、导弹等的高超声速飞行阶段、卫星探测器的着陆阶段等)等都会发生高超声速与高温流动现象，同时还有粒子云高速侵蚀、突防中遇到的核辐射和动能拦截等，就需要采取特殊的热防护措施。飞行器的热防护系统对于工程设计尤为重要，需要考虑高温扰流对飞行器物面的传热和烧蚀作用，否则就会出现2003年哥伦比亚号航天飞机失事的事件，导致机毁人亡这样的悲剧。据专家分析原因之一有可能是进入大气层后因与大气摩擦产生高温导致隔热层脱落或烧毁。1

跨大气层飞行器的再入大气环境是极其复杂的。飞行器从120km的高空，以极高的速度(约25Ma)开始进入大气，随着高度的降低，飞行器周围的空气密度急剧增加，气压从几百帕增至一个大气压以上，大气层中的空气与飞行器之间发生了剧烈的相互作用:首先是对飞行器的气动加热作用，高速气流绕流飞行器时，在其表面产生了附面层，高速运动的气流在附面层内受到阻滞，空气质点做定向运动的动能转变成热，从而使附面层具有高比焙的热量(约31MJ/kg)，这些热量传递给与附面层直接接触的飞行器表面，使其温度升高，平均表面温度约1477摄氏度，最高温度约1 800摄氏度。另外，高压的气流以极高的速度冲击飞行器，又对其产生了极高的气动载荷。

因此，模拟再入大气环境就是要模拟气动加热过程产生的热物理化学环境和气动载荷产生的应力环境。模拟方法要实现的基本模拟条件有:（1）高比焙的热环境;（2）高马赫数的高速气流;（3）变化的气体环境:空气的组成(氧气、氮气的含量)、密度和气压等;（4）模拟与气动载荷作用等效的应力环境。

目前，用于模拟再入大气环境的常用方法主要有以下2种:

（1）产生高焙高速气流模拟再入大气环境。如德国的PWK系列等离子风洞，主要工作原理是依靠等离子发生器产生高比焙等离子流，电力供应系统提供可产生高气流速度所需的电流，供气系统模拟所需的气体环境，真空泵系统创造再入大气的低压环境，原理示意图见图1。

为了模拟不同阶段的再入环境，德国建造了5个不同的等离子风洞，PWK- 1和PWK- 2采用了磁等离子流体动力发生器(MPG)，用于模拟高速低压的再入环境;PWK- 3采用电感应加热，用于模拟高比焙的再入环境。PWK- 4和PWK- 5采用热电弧发生器(TPG) ,产生高冲击压力，高马赫数、高比焓的等离子流，常用于高焓气流的气动研究。

（2）通过在试验箱中产生与再入大气环境相似的温度、压力和气氛条件来模拟再入大气环境。图2为德国宇航局(DLR)的Indutherm模拟设备，通过电感应加热体对试验箱加热，最高温度1600摄氏度;真空泵系统和供气系统模拟再入大气的气体环境(如气体压力、气体组分等)，依靠材料试验机加载实现要模拟的应力环境。2