高超声速飞行中的辐射输运和磁流体力学

第1章 绪论 高超声速（hypersonic）是我国著名科学家钱学森先生在1946年发表的一篇论文中提出的一个重要概念与术语。1963年，钱学森先生出版了《星际航行概论》这部专著，进一步全面阐述了星际航行技术和星际航行实践这项复杂的系统工程。如今，航空与航天技术已成为衡量一个国家整体科技实力和工业基础的重要标志，同时也是衡量一个国家综合国力的重要组成部分。 高超声速飞行器是指飞行Mach数大于5，能够在大气层或星际空间中进行远程飞行的飞行器，其中包括航天飞机、高超声速巡航导弹、星际空间探测器以及行星与行星际载人飞船等。因此，高超声速飞行器技术涉及高超声速气动热力学、辐射流体力学、磁流体力学（magnetohydrodynamics，MHD）、化学动力学、稀薄气体动力学、平衡态与非平衡态高温气体的统计物理学、气动电磁学、气动光谱学、气动光学、计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）、计算电磁学，以及导航与控制技术、电子信息与通信技术、材料结构与工艺制造技术等多门学科的交叉与融合，涉及高超声速推进、高超声速飞行器机身与推进一体化设计、飞行器热防护技术，高超声速飞行器地面风洞试验技术以及空中飞行试验等多项前沿技术的高度综合，涉及系统工程理论的指导和系统论方法学的研究。 《高超声速气动热力学》[5]一书主要讨论了高超声速飞行器飞行和再入大气层时，所涉及的四个流区（即自由分子流区、过渡区、滑流区和连续介质区）。按照以前传统的做法，四个流区各自采用不同的近似方法，因此不同的处理方法便缺乏计算方法上的统一与协调，缺乏共同指导的理论基础。因此，我们在该书中针对涉及的四个流区，提出了“从一个力学基本方程出发，构建一个基本的求解框架、突出一个统计系综、立足一种普遍形态的思想方法”，并借助这一方法分析与求解了火星大气层、土卫六大气层以及地球大气层中18种国际上著名航天器与探测器的高超声速绕流问题，其中包括242个再入飞行典型工况的气动力、气动热以及飞行器热防护问题的分析，且有231个工况已在相关国际会议、学术杂志以及全国学术会上发表。应该讲，文献[5]更多的是讨论针对四个流区如何在统一的力学方程基础上进行合理近似求解的问题，它紧紧扣住了高超声速气动热力领域的核心内容，进行了一次在这一领域中将微观物理与宏观力学相互结合的成功探索。 本书主要探讨辐射气体动力学和磁流体力学两大部分。这些内容的研究与钱学森先生、郭永怀先生1958年在中国科学技术大学创建近代力学系（钱学森任首届系主任）、化学物理系（郭永怀任首届系主任）以及郭永怀先生在中国科学院力学所创建“磁流体力学”方向的总体布局紧密相关。在钱学森和郭永怀先生的倡导下，中国科学技术大学建校初期在近代力学系设立了高速空气动力学专业（林同骥、卞荫贵、郭永怀、钱学森等先生亲自授课）和喷气技术热物理专业（吴仲华等先生亲自授课）等；在化学物理系设立了物理力学专业（钱学森先生亲自授课并于1962年出版了《物理力学讲义》）和高速化学反应动力学专业等，现在看来这些专业的设置的确是非常英明的决策。如果从1958年至今这些专业一直坚持办下去的话，那么我国高超声速飞行器方面的设计队伍一定会比现在更加强大、基础研究一定会更加坚实。 1.1 高超声速飞行与再入问题中PCGD的原子分子理论 气体动力学（gasdynamics）是流体力学的一个分支，是研究可压缩流体的运动规律及其与固体的相互作用。以空气动力学为例，它是研究物体（如各种飞行器）与空气做相对运动时的相互作用及其规律的一门科学。随着物体相对于空气运动速度的增加，物体与空气之间的相互作用也越来越强烈，于是出现了“声障”“热障”和“黑障”等问题。突破“声障”发展与形成了以激波理论为核心的超声速空气动力学理论，突破“热障”发展与形成了以研究飞行器周围气体对飞行器的热输运为核心的气动热力学（aerothermodynamics）。气动热力学将空气动力学与化学热力学、化学动力学、统计物理和量子力学相结合，主要研究高速或高超声速流动问题。因此，von Karman（冯 卡门）把这种流动问题称为气动热化学（aerother-mochemistry）[13]，也有的书籍中称为高超声速和高温气体动力学[14]或物理气体动力学等；更多的学者将其称为气动热力学[16]或者高超声速气动热力学[17-20]。 在高超声速飞行问题中，“黑障”是指通信中断，即高超声速气流绕飞行器流动，产生脱体弓形激波，飞行器周围的气体在激波和表面摩擦作用下形成高温气体并产生电离，成为部分电离气体，这些电离气体流向飞行器尾部便形成等离子体尾迹。通常，人们把飞行器周围的等离子体称为等离子鞘。当飞行器机载电磁通信天线发射或接收电磁波时，电磁波被电离气体反射、吸收而强度衰减，甚至完全不能穿过等离子体层而发生通信中断[21]。20世纪50～70年代随着航天工程的开展[22-26]，美国和苏联对“黑障”问题开展了大量的飞行试验，详细研究了飞行器周围气体产生等离子体的机理、气体的电磁性质的变化、与电磁波相互作用的规律，并寻找到解决通信中断的技术途径。由于“黑障”问题出现在飞行器高超声速再入的过程中，因此当时人们常把“黑障”问题的研究称为“再入气动物理（reentry aero-physics）”，常简称为再入物理[27-29]。另外，那时“再入物理”还包括再入过程中飞行器和周围气体的光辐射、对雷达波的散射以及大气中雨、雪粒子对飞行器表面防热材料的侵蚀等物理现象的机理分析与研究。 回顾我国在气动物理方面开展的研究工作，应该追思与怀念我国著名气动力学家卞荫贵先生。早在1975年国防科学技术委员会成立气动力、气动热和气动物理三个专业组时，卞荫贵先生就被聘请为气动物理专业组组长，他是我国气动物理的倡导者和领路人，他为我国开展气动物理研究、为我国发展战略武器和卫星研制做出了重大贡献。另外，他直接率领的中国科学院力学研究所第11研究室早在20世纪80年代便在战略弹头气动力、气动热和热防护研究方面、在再入通讯可行性途径的研究方面、在高超声速飞行器底部流动及传热分析方面取得了创新性的重大成果，并分别于1978年、1980年、1986年和1987年等多次荣获全国科学大会奖、中国科学院科技进步奖和国家科技进步奖。此外，卞先生还于1986年出版了《高温边界层传热》，1997年出版了《气动热力学》，这两部重要著作填补了当时我国在高超声速飞行器气动设计与热防护领域出版的空白，为全国高校航天类研究生和广大航天科技人员从事这一领域研究指明了前进的方向，提供了十分宝贵的学习素材。本书的**作者有幸能够在钱学森先生任所长的中国科学院力学研究所和吴仲华先生任所长的中国科学院工程热物理研究所工作16年，能够在吴仲华先生和卞荫贵先生的直接教诲下从事科研，尤其是卞先生27年（1978～2005）精心的培育和指导，这是王保国人生中*宝贵的财富。另外，本书的两位作者自1991年6月合作至今，20多年共同不懈地努力使他们真正感受到高超声速飞行与再入问题的重要性，感受到外流气动热力学与叶轮机械气动热力学之间的共同基础与相互融合，深刻体会到钱学森先生、郭永怀先生、吴仲华先生在中国科学科技大学建校初期创办与设计这些专业方向的良苦用心，这也正是本书的两位作者下决心将本书问世的真正动力。 随着航天和导弹技术的发展，人们已不局限于研究高超声速飞行器的“再入”状态，而是要求能够掌握飞行器在各种飞行状态下飞行器周围等离子体对电磁信号的传输效应、掌握对飞行器电磁导航和末制导的影响。另外，随着光电技术的飞速发展，各种光电侦察、探测、观瞄、制导等装备器材（如主动红外夜视仪、激光测距仪、目标指示器、微光夜视仪、红外热像仪、红外辐射仪等）的研究、应用与开发在航天器和新型武器装备上获得了较大的发展，而这些仪器的应用都离不开对目标、背景和大气的红外特征的掌握，离不开气动力学与电磁理论以及辐射输运理论之间的融合，也离不开气动力学与光学理论之间的结合。正是由于飞行器技术发展所提出的物理问题范围在不断拓展，“再入物理”这个术语已不能涵盖上述新出现的交叉学科所研究的内容，因此“气动物理（aerophysics）”这一术语便被使用。文献[31]对气动物理规范了一个研究范围，即研究物体和空气相对运动时相互作用引起的物体周围气体物理性质的变化及其与电磁波、光波相互作用的规律，并应用这些规律解决实际问题的一个空气动力学分支，是空气动力学与物理学的一个交叉学科。按照这个说法，气动与电磁学的结合、气动与光学的结合、气动与高温气体辐射光谱特性的结合等都属于气动物理的范畴。 在飞行器高超声速飞行与再入的过程中，除了上述气动物理所研究的问题之外，飞行器的绕流问题是十分复杂的[16，32~34]。这时的流动往往处于高温非平衡态，例如，航天器在离地球表面80km或更高的高空并以20～30的Mach数再入地球大气层时，化学非平衡和热力学非平衡效应十分显著，因此要研究这一过程，就必须将气动力学与化学热力学、化学反应动力学相结合，而化学热力学与化学反应动力学属于化学学科研究的内容。另外，在再入飞行过程中炽热的气体将飞行器表面材料的烧蚀（ablation）过程应属于物理化学的研究范畴。综上所述，飞行器进行高超声速飞行与再入问题的过程中，除了要涉及高速气体动力学问题之外，还要涉及大量的气动化学和气动物理的问题，这里我们将气体动力学与物理化学的结合称作物理化学气体动力学（physicochemical gasdynamics），而研究这门交叉学科的方法应该从分子和原子角度人手，采取微观分析和宏观描述相结合的方法，为此我们将这种处理称为PCGD的原子分子理论（atomic and molecular theory of physicochemical gasdynamics，AMTPCGD）。在具体处理高超声速飞行和再入问题的过程中，我们将所涉及的物理化学气体动力学问题分成了四个子方向，如图1.1所示，即①高超声速气动热力学；②高超声速飞行中的辐射输运理论和辐射流体力学；③气动电磁学磁流体力学；④气动光学原理与计算模型。 图1.1 高超声速飞行与再入问题中PCGD的原子分子理论及其涵盖的四个分支学科 高超声速气动热力学是气体动力学与热力学、化学动力学、统计力学和量子物理相结合所形成的新分支学科。由于飞行器进行高超声速再入飞行，通常会涉及四个流区（自由分子流区、过渡流区、滑移流区、连续介质流区），根据飞行器再入时Knudsen数的大小，稀薄区采用DSMC（direct simulation Monte Carlo）方法，连续介质区采用多组分、考虑非平衡态气体振动与热化学非平衡态效应的广义Navier-Stokes方程，而过渡区仍可使用DSMC方法，文献[5]给出了上述流动处理的细节，这里不再赘述。 飞行器在进行高超声速飞行时，输运理论和辐射输运方程十分重要。任何一种辐射体都有它特有的辐射光谱，以区别于其他物体。因此，航天器和导弹目标的这些辐射的光谱特性成为探测识别指示航天器和导弹目标的重要依据。高温气体辐射是气体原子分子能态的激发和去激发过程，原子分子辐射的波长范围取决于所跃迁能级间的能量差，辐射强度要依赖于参与跃迁的粒子数。因此，研究高温气体辐射要从原子分子结构、能级分布和跃迁概率人手，这是理论物理中原子和分子物理学以及分子光谱学的研究内容。流场中高温气体辐射要遵循辐射输运方程。为了确定流场中每一体元的辐射强度，需要知道每种组分在不同状态下的吸收/发射系数。而要确定高温气体组分的吸收系数需要从原子分子的微观能级分布和常态光谱数据出发，不仅要去考虑不同内能能级之间的耦合，还应该考虑到谱线加宽效应和能级之间的跃迁概率等，因此如何较准确地确定高温状态下气体组分吸收系数和其他辐射光谱数据对辐射输运方程的计算至关重要。辐射仅是能量传移的一种形式，在分析飞行器表面辐射加热和求解流