Расчёт аэродинамических сил для низколетящих спутников Земли

Автор: Дарья Дмитриевна Андреева

Соавторы: Филатов Евгений Иванович

Организация: Институт математики и механики им. Н.И.Лобачевского КФУ

На низкой околоземной орбите находится большинство низколетящих спутников Земли. На высоте 200–600км течение газа переходит в свободномолекулярный режим, то есть молекулы газа сталкиваются с поверхностью спутника гораздо чаще, чем друг с другом. При таких условиях привычные модели сплошной среды не работают, а силы и моменты определяются прямым обменом импульса при столкновении молекул с поверхностью.

В данной работе был произведен аналитический расчёт силы сопротивления и моментов для перигея и апогея для ИСЗ «Спутник–1» (см. Рис.1, а) и для космического корабля «Союз ТМА–22» (см. Рис.1, б). Использованы кинетические модели диффузного и зеркального отражения. На основе графиков были проведены исследования зависимости коэффициента сопротивления и силы сопротивления от высоты, а также моментов в зависимости от угла атаки.

Далее на языке Python был разработан численный алгоритм, реализующий панельный метод для расчёта аэродинамических характеристик простейших геометрических тел, а именно сферы, конуса, цилиндра и пластинки. Поверхность аппарата разбивалась на элементарные треугольные панели, которые в свою очередь формировали сетку. Для каждой панели вычислялись локальные нормальные и касательные напряжения. После интегрирования в результате выводились коэффициент сопротивления, полная сила сопротивления и моменты относительно заданного центра масс. В качестве исследования было произведено сравнение результатов аналитического и численного расчёта.