超高速气体分子与壁面作用的特殊能量转换机制

徐笑笑，吴洪涛，侯锦博，闫晓东，陈茂林，梁腾飞（西北工业大学航天学院）

摘要：在地球超低轨道环境中, 来流气体以超高速准直分子束直接与飞行器表面碰撞, 气-固界面作用关系直接影响超低轨飞行器的气动性能和吸气效率. 本文采用分子动力学方法模拟了准直气体分子束在无定形固体壁面上的微观散射过程, 获得了不同入射速度和角度工况下气−固界面作用的动量/能量适应系数和散射角分布的变化规律. 结果表明, 在超高速入射条件下, 界面适应系数会随入射角度剧烈变化, 并频繁超出[0, 1] 的常规范围, 导致传统唯象学气-固界面作用边界模型失效. 而新型物理学气-固界面作用模型在超高速条件下仍能够准确复现气体分子的反射速度分布函数, 以及动量/能量适应系数和散射角度分布随来流速度和角度的变化规律, 表现出优异的高精度和自适应性. 分析机理发现, 气体分子自身不同速度分量之间的能量转换是强烈影响气-固界面散射特性的关键机制, 本文提出一个新的能量转换系数, 可以定量描述不同速度分量之间的能量转换效率随入射角度和表面粗糙度的变化规律. 这些发现为建立高保真稀薄气体动力学边界条件提供了关键的物理见解, 对超低轨道先进航天飞行器的气动设计和性能优化具有重要意义.

关键词：超低地球轨道，气-固相互作用，适应系数