呂俊明，黃 飛，苗文博，程曉麗，俞繼軍

(中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074)

0 引 言

火星是距離地球最近的行星，也是太陽系中被探測(cè)次數(shù)最多的行星，人類探測(cè)火星已有近60年的歷史。近年來，各國又掀起了新一輪的火星探測(cè)熱潮，目前已公布的至2020年的火星探測(cè)計(jì)劃就達(dá)8次。在以往全部15次登陸火星任務(wù)中僅有美國成功7次，失敗的任務(wù)中問題多數(shù)發(fā)生在探測(cè)器的進(jìn)入下降著陸階段，即EDL(Entry-descent-landing)，因此該過程也被稱為“死亡七分鐘”，是決定任務(wù)成敗的關(guān)鍵。

在火星探測(cè)EDL過程中的進(jìn)入段，面臨的問題來自于火星特殊的大氣成分和稀薄環(huán)境，其性質(zhì)與地球大氣差異較大，對(duì)基于地球再入建立起來的現(xiàn)有理論、數(shù)值和試驗(yàn)技術(shù)提出了新的要求。對(duì)火星大氣性質(zhì)的認(rèn)識(shí)不充分、對(duì)火星進(jìn)入氣動(dòng)力熱特性預(yù)測(cè)的能力不足，致使早期火星進(jìn)入飛行器的軌道設(shè)計(jì)和熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在較大的不確定性，造成實(shí)際進(jìn)入過程中氣動(dòng)參數(shù)往往很容易超出設(shè)計(jì)值或遭遇未被充分理解的物理現(xiàn)象，最終導(dǎo)致任務(wù)失敗。

隨著近幾十年火星巡視和登陸任務(wù)的不斷成功，對(duì)火星大氣的認(rèn)識(shí)有了明顯提高，火星進(jìn)入氣動(dòng)預(yù)測(cè)能力也得到了一定程度的驗(yàn)證。Wright在文獻(xiàn)[1]中綜述了有關(guān)氣動(dòng)熱力學(xué)模型的發(fā)展和應(yīng)用情況。這些進(jìn)步降低了火星進(jìn)入設(shè)計(jì)中的不確定性，但相對(duì)于研究較多的對(duì)流加熱和壁面催化模型等問題，文獻(xiàn)[1]指出對(duì)于未來的火星探測(cè)進(jìn)入器，高速進(jìn)入引起的激波層高溫氣體輻射加熱可能非常重要。此后陸續(xù)開展的火星進(jìn)入氣體輻射研究和火星科學(xué)試驗(yàn)室(Mars science laboratory，MSL)的飛行重建數(shù)據(jù)[2]證明了這一點(diǎn)。同時(shí)，重建數(shù)據(jù)分析還表明火星進(jìn)入輻射加熱存在較大的不確定性。

對(duì)于未來的火星進(jìn)入器設(shè)計(jì)，基于降低發(fā)射成本、增加有效載荷、提升進(jìn)入系統(tǒng)可靠性與安全性的需求，迫切需要低設(shè)計(jì)余量的新型熱防護(hù)系統(tǒng)，因此要求能夠?qū)怏w輻射加熱進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。而火星大氣成分和地球顯著不同，火星進(jìn)入軌道和地球再入軌道也不同，這些差異使得火星進(jìn)入的氣體輻射特性和加熱規(guī)律與地球再入情況存在區(qū)別。將現(xiàn)有輻射研究方法和經(jīng)驗(yàn)推廣到火星大氣需要開展適用性研究，同時(shí)還需要針對(duì)火星大氣氣體輻射建立新的數(shù)值模型和試驗(yàn)技術(shù)。因此，進(jìn)入火星大氣時(shí)激波層高溫氣體輻射加熱的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，需要在理論模型、數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)試等多方面展開深入分析，為火星探測(cè)任務(wù)提供技術(shù)支撐。

美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)、歐洲航天局(European Space Agency，ESA)和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)等多家航天機(jī)構(gòu)近年來開展了關(guān)于火星進(jìn)入氣體輻射加熱的系列研究。本文綜述該領(lǐng)域的研究進(jìn)展:第1節(jié)介紹氣體輻射基本概念和火星進(jìn)入氣體輻射加熱研究的發(fā)展沿革;第2節(jié)回顧火星大氣氣體輻射加熱的數(shù)值方法研究進(jìn)展，包括熱化學(xué)非平衡模型、輻射特性模型和輻射傳輸計(jì)算;第3節(jié)綜述模擬火星大氣環(huán)境中開展的氣體輻射地面試驗(yàn)研究，包括試驗(yàn)設(shè)備、測(cè)試方法和對(duì)比驗(yàn)證;第4節(jié)概述進(jìn)入器熱防護(hù)設(shè)計(jì)中進(jìn)行的輻射加熱研究，包括流動(dòng)輻射耦合和后體氣體輻射加熱;最后，在第5節(jié)給出有關(guān)火星進(jìn)入氣體輻射加熱研究的展望和建議。

1 基本概念和問題起源

氣體原子、分子或離子發(fā)生電子躍遷、振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷等輻射過程，即可以發(fā)射和吸收輻射能量。主要包括由碰撞、自激或受激輻射產(chǎn)生的原子和分子激發(fā)，以及組分對(duì)光子的吸收。氣體輻射光譜完全是非黑體的，具有很強(qiáng)的原子線和分子帶的光譜分布特征，這種吸收系數(shù)隨波數(shù)劇烈變化的特征正是氣體輻射預(yù)測(cè)的最大困難所在。

高溫氣體輻射是過去60年中的重要研究課題[3]。二十世紀(jì)五十年代末到六十年代，氣體輻射研究主要集中于地球大氣環(huán)境。七十年代，輻射研究集中于火星返回條件的地球再入和其他行星進(jìn)入，如金星和火星。八十年代早期，研究繼續(xù)關(guān)注外行星進(jìn)入問題，同時(shí)空氣介質(zhì)非平衡輻射精細(xì)模型研究開始發(fā)展[4-5]。從二十世紀(jì)九十年代到二十一世紀(jì)初，Titan進(jìn)入的輻射問題吸引了研究者們的關(guān)注[6]。近年來，火星進(jìn)入氣體輻射逐漸受到研究者的重視。

在二十世紀(jì)七十年代到九十年代，火星進(jìn)入器設(shè)計(jì)人員基于地球再入研究經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為氣體輻射加熱很大程度上取決于飛行速度，而火星進(jìn)入速度較低，因此火星進(jìn)入氣體輻射加熱一直未受到關(guān)注。直到1995年的火星探路者號(hào)(Mars Pathfinder，MPF)，由于MPF具有最高的進(jìn)入速度，設(shè)計(jì)者推測(cè)其可能會(huì)遭遇較強(qiáng)的氣體輻射加熱，因此開展了相關(guān)研究，這是MSL之前唯一被關(guān)注過氣體輻射加熱的進(jìn)入器。

Mitcheltree和Gnoffo對(duì)MPF氣體輻射加熱開展了研究[7]，結(jié)果表明MPF進(jìn)入時(shí)輻射熱流僅有約5～7 W/cm2，而對(duì)流熱流預(yù)測(cè)值為115 W/cm2，輻射熱流占總熱流小于5%，與之前的預(yù)想差距較大。在取得實(shí)際飛行數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)由溫度傳感器數(shù)據(jù)重構(gòu)得到的總熱流約100 W/cm2，可見設(shè)計(jì)階段的對(duì)流熱流預(yù)測(cè)值已經(jīng)高于重構(gòu)總熱流?；谝陨辖Y(jié)果，研究人員當(dāng)時(shí)均認(rèn)為火星進(jìn)入氣體輻射加熱不是熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的問題。

直至2012年，MSL成功進(jìn)入火星，其飛行數(shù)據(jù)改變了研究者以往對(duì)火星進(jìn)入氣體輻射加熱的認(rèn)識(shí)。在MSL的設(shè)計(jì)階段，氣體輻射加熱預(yù)測(cè)值小于0.1 W/cm2，如此小的輻射熱流并沒有引起設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。在MSL成功后，Edquist等[2]基于飛行后獲得的表面溫度傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行了熱環(huán)境重構(gòu)和分析。使用蘭利氣動(dòng)熱力學(xué)迎風(fēng)松弛算法程序(Langley aerothermodynamic upwind relaxation algori-thm，LAURA)進(jìn)行了流動(dòng)計(jì)算和對(duì)流熱流預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和全隱式燒蝕和熱響應(yīng)程序(Fully implicit ablation and thermal response program，F(xiàn)IAT)重構(gòu)熱流存在較大偏差，如圖1所示，即便考慮重構(gòu)偏差，LAURA預(yù)測(cè)的駐點(diǎn)熱流(帶實(shí)心正方的實(shí)線)在60 s后仍明顯低于重構(gòu)值(有誤差帶的虛線)，說明對(duì)流熱流預(yù)測(cè)無法安全評(píng)估進(jìn)入器熱環(huán)境。Edquist考慮CO2和CO分子輻射，利用高溫空氣輻射計(jì)算程序(High-temperature air radiation，HARA)進(jìn)行輻射加熱計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在70 s后，輻射熱流(虛線)逐漸升高。駐點(diǎn)對(duì)流熱流在75 s到達(dá)峰值，之后逐漸降低，輻射熱流占總熱流比例增大，在90 s左右輻射熱流達(dá)到峰值，和對(duì)流熱流相當(dāng)，隨后超過對(duì)流熱流?？紤]輻射熱流的總熱流(點(diǎn)劃線)更接近飛行重構(gòu)數(shù)據(jù)。但預(yù)測(cè)總熱流仍然稍低于重構(gòu)熱流，表明還有未被發(fā)現(xiàn)的機(jī)制存在，或還未能準(zhǔn)確模擬對(duì)流及輻射加熱。

圖1 火星科學(xué)試驗(yàn)室駐點(diǎn)歸一化熱流[2]Fig.1 Normalized radiative heating rate at stagnation point of Mars Science Laboratory[2]

基于以上結(jié)果，研究者意識(shí)到在進(jìn)入器尺寸變大后(MPF等大底直徑2～3 m，MSL為4.5 m)，氣體輻射加熱對(duì)火星進(jìn)入器的防熱設(shè)計(jì)變得重要。速度不再是判斷輻射加熱的唯一因素，如MSL進(jìn)入速度在4.5 km/s左右的進(jìn)入器，在地球再入場景下是無需考慮氣體輻射的，但在火星進(jìn)入中輻射加熱卻變得尤為重要。原因在于火星大氣成分和地球大氣差異較大，造成火星進(jìn)入氣體輻射在機(jī)理上有別于地球再入。另外，隨著火星探測(cè)任務(wù)需求的不斷提高，未來的火星進(jìn)入器將具有更大尺寸、更重質(zhì)量和更快速度，這些都將引起更為嚴(yán)重的氣體輻射加熱。Johntson等[8]指出，輻射加熱是火星進(jìn)入熱防護(hù)設(shè)計(jì)中不確定性的主要來源之一，面對(duì)準(zhǔn)確掌握主導(dǎo)氣動(dòng)加熱的激波層物理化學(xué)過程的要求，大量數(shù)值和試驗(yàn)研究陸續(xù)開展。

2 數(shù)值模型與方法研究

氣體輻射加熱的數(shù)值模擬主要包括：流場參數(shù)、不同能態(tài)粒子數(shù)分布、輻射特性和輻射傳輸?shù)挠?jì)算。本節(jié)從考慮熱化學(xué)非平衡的高溫氣體動(dòng)力學(xué)模型與方法；考慮吸收系數(shù)和輻射傳輸計(jì)算的氣體輻射預(yù)測(cè)模型與方法兩個(gè)方面進(jìn)行綜述。

2.1 氣體動(dòng)力學(xué)模型與方法

氣體輻射預(yù)測(cè)需要流場計(jì)算提供準(zhǔn)確的密度、多模態(tài)溫度分布和組分濃度等參數(shù)，相較于對(duì)流加熱，輻射加熱對(duì)流場參數(shù)有更強(qiáng)的敏感性和更精細(xì)的要求。近年大量工作集中在發(fā)展適用于輻射計(jì)算的、準(zhǔn)確的熱化學(xué)非平衡模型與方法。

Holden等[9]在激波風(fēng)洞LENS I(Large energy national shock tunnel)中開展了以CO2氣體為試驗(yàn)介質(zhì)的鈍錐模型流場結(jié)構(gòu)和熱流測(cè)試試驗(yàn)。圖2中LENS I的紋影結(jié)果顯示激波脫體距離測(cè)量值明顯超過NASA Ames研究中心流動(dòng)計(jì)算程序DPLR(Data parallel line relaxation)的計(jì)算值(見圖2上半部分)，原因在于LENS I風(fēng)洞產(chǎn)生的來流處于嚴(yán)重的熱化學(xué)非平衡狀態(tài)，和需要的試驗(yàn)條件存在偏差。為此，CUBRA建造了更大尺寸的膨脹管LENS X，以消除來流非平衡干擾。在LENS X中開展了同樣條件的試驗(yàn)，結(jié)果表明測(cè)量值和數(shù)值預(yù)測(cè)符合很好(見圖2右半部分)。說明在火星大氣環(huán)境中，熱化學(xué)非平衡對(duì)激波脫體距離有很強(qiáng)的影響，進(jìn)而會(huì)對(duì)壓力、熱流和輻射產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，火星進(jìn)入氣體輻射預(yù)測(cè)需要建立準(zhǔn)確的非平衡氣體動(dòng)力學(xué)模型和方法。

圖2 LENS I和X的激波測(cè)量以及和DPLR預(yù)測(cè)的比較[9]Fig.2 Measurements of shock layer properties in LENS I and X and comparison with DPLR prediction[9]

Cruden等[10]采用非平衡空氣輻射計(jì)算程序(Nonequilibrium air radiation，NEQAIR)和HARA等程序開展計(jì)算，發(fā)現(xiàn)一定條件下非平衡效應(yīng)對(duì)火星進(jìn)入氣體輻射加熱影響很大，熱平衡計(jì)算嚴(yán)重低估輻射加熱。Macdonald等[11]研究了模擬火星大氣中正激波后非平衡松弛區(qū)域內(nèi)CO分子的激發(fā)電子態(tài)特性，對(duì)氣體平動(dòng)能態(tài)和分子振動(dòng)能態(tài)之間的熱非平衡過程建立了STS模型(Hybrid state-to-state model)。該模型中CO分子電子態(tài)被作為單獨(dú)組分處理，可進(jìn)行非Boltzmann分布計(jì)算。結(jié)果表明傳統(tǒng)使用的QSS模型(Quasi steady state，QSS)與STS模型相比普遍低估輻射熱流，偏差最大接近50%。

火星進(jìn)入化學(xué)非平衡模擬一般均采用Park提出的CO2-N2-Ar混合氣體非平衡化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型[12]。Hollis等綜述了為評(píng)估Park模型對(duì)流熱流預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度而進(jìn)行的測(cè)熱試驗(yàn)和比較研究[13]。發(fā)現(xiàn)對(duì)流加熱更多受到壁面催化特性的影響，對(duì)化學(xué)反應(yīng)和兩溫度模型參數(shù)不敏感。不同于氣動(dòng)特性和對(duì)流加熱，輻射加熱對(duì)化學(xué)反應(yīng)模型和熱非平衡模型非常敏感[3,8]。由于Park模型只考慮了基態(tài)組分間的化學(xué)反應(yīng)，忽略了激發(fā)態(tài)分子以更可能的再結(jié)合方式直接生成的可能性[14]，因此高速條件下使用Park模型進(jìn)行輻射加熱預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性需進(jìn)一步確認(rèn)。

圖3 96% CO2和4% N2混合氣體激波速度8.5 km/s的波后非平衡光譜輻射[15]Fig.3 Nonequilibrium spectral emissivity behind the shock wave in 96% CO2 and 4% N2 mixture at vsh=8.5 km/s[15]

Dikalyuk等[15]使用Park模型開展了高速條件下的輻射計(jì)算，并和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，如圖3所示，結(jié)果表明計(jì)算值和試驗(yàn)值在300～700 nm光譜范圍內(nèi)符合較好[15]。Grinstead等[16]和Boubert等[17]也進(jìn)行了類似的計(jì)算和驗(yàn)證工作。但在這些研究中，試驗(yàn)條件都與飛行條件存在較大差距，并且試驗(yàn)和計(jì)算的光譜下限值最低為0.2 μm，未能考慮主要的輻射帶系CO(4+)，因此，上述研究還無法完全驗(yàn)證反應(yīng)模型的適用性和正確性。

圖4 165～215 nm輻射強(qiáng)度的新舊反應(yīng)模型比較[8]Fig.4 Comparison of radiative intensity between heritage and baseline rates of chemical reactions at 165～215 nm[8]

Johnston等[18]針對(duì)氣體輻射加熱進(jìn)行了反應(yīng)模型和平動(dòng)振動(dòng)松弛模型的不確定性分析。發(fā)現(xiàn)速度6.3～7.7 km/s條件下駐點(diǎn)輻射對(duì)相關(guān)參數(shù)的不確定性在50%～200%之間，主要來自于CO分解和CO重粒子激發(fā)速率的影響。針對(duì)這一不確定性來源，Johnston等結(jié)合電弧激波管(Electric arc shock tube，EAST)和昆士蘭大學(xué)X2膨脹管的輻射測(cè)量結(jié)果，提出了一套新的化學(xué)反應(yīng)模型。在該模型中，CO分解反應(yīng)速率被大大提高[18]。圖4是激波速度6.9 km/s條件下，光譜范圍165～215 nm內(nèi)Johnston模型、Park模型的計(jì)算值和試驗(yàn)結(jié)果的比較[8]。圖中深色實(shí)線為試驗(yàn)結(jié)果，淺色實(shí)線為Johnston模型計(jì)算結(jié)果，虛線為Park模型計(jì)算結(jié)果?？梢奐ohnston等模型得到的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值符合很好，傳統(tǒng)的Park模型較大地高估了輻射強(qiáng)度。Johnston利用該新反應(yīng)模型對(duì)MPF進(jìn)行了輻射計(jì)算[8]。圖5是t=52 s 時(shí)刻的表面熱流分布，其中qc,sc為超催化壁面對(duì)流熱流，qc,c為非催化壁面對(duì)流熱流，qr為輻射熱流，qr,upper為考慮所有不確定性的最大輻射熱流。駐點(diǎn)輻射熱流接近20 W/cm2，和對(duì)流熱流相當(dāng)，比Mitcheltree和Gnoffo[7]的預(yù)測(cè)值高出3～4倍。

圖5 t=52 s 時(shí)MPF表面熱流[8]Fig.5 Surface heating of MPF at t=52 s[8]

圖6 VUV波段不同計(jì)算和試驗(yàn)的輻射強(qiáng)度絕對(duì)量比較[20]Fig.6 Comparison of absolute metric between computation and experiment for VUV spectral range[20]

Brandis等[19]開展了CO(4+)平衡輻射的數(shù)值計(jì)算，并和試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明CO(4+)輻射對(duì)溫度非常敏感，熱平衡模型低估輻射約1倍。Brandis等[20]還開展了速度6～8 km/s條件下的非平衡輻射計(jì)算，比較了Park模型和Joh-nston新模型。圖6是162～218 nm、壓力13.3 Pa時(shí)不同激波速度對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度?？梢奐ohnston模型改善了與試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果，Park模型高估輻射強(qiáng)度。

對(duì)火星進(jìn)入非平衡氣體動(dòng)力學(xué)模型的有效改進(jìn)，使氣體輻射的數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果更為符合，對(duì)MPF輻射熱流的重新計(jì)算表明氣體輻射熱流一直被低估了，模型的發(fā)展完善了對(duì)火星進(jìn)入氣體輻射加熱的認(rèn)識(shí)。盡管如此，作為熱流和輻射預(yù)測(cè)的重要不確定性來源，需對(duì)熱非平衡和化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行更深入的研究，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)改進(jìn)并提出更為準(zhǔn)確的非平衡模型和參數(shù)。

2.2 輻射特性與傳輸?shù)哪Ｐ秃头椒?/h3>

基于流場模擬獲得組分的不同能級(jí)數(shù)密度分布，建立火星大氣氣體輻射特性模型，發(fā)展輻射傳輸計(jì)算方法，是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)輻射加熱的基礎(chǔ)。Wright等[1]關(guān)于火星進(jìn)入氣動(dòng)熱力學(xué)的綜述中指出，高速條件下CO(4+，真空紫外)、CN(B-X，紫色)、C2(Swan，藍(lán)色-紫色)和CN(A-X，紅色)等分子帶，C、O等原子輻射(紫外-可見光-紅外)是火星進(jìn)入氣體輻射的主要來源，如圖7所示。CO2分子輻射此時(shí)不太重要，因?yàn)楦咚贄l件伴隨著更高的激波層溫度，CO2在產(chǎn)生輻射之前已經(jīng)離解。但對(duì)于低速進(jìn)入，或EDL的低速下降階段，CO2振轉(zhuǎn)躍遷可能會(huì)很重要。

圖7 模擬火星大氣8.5 km/s激波層光譜輻射[1]Fig.7 Spectral radiation of 8.5km/s shock in Mars entry[1]

高速進(jìn)入時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注CN和CO分子輻射。CN分子帶集中于350～400 nm，CO(4+)集中于真空紫外段。Palmer等[21]對(duì)火星進(jìn)入速度8.6 km/s條件下的體積光譜輻射強(qiáng)度開展了計(jì)算，并和X2風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。圖8是調(diào)整后的NEQAIR計(jì)算值和試驗(yàn)結(jié)果的比較，可見按比例調(diào)整后的NEQAIR計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)量值及其變化趨勢(shì)符合良好，證明了對(duì)CN輻射計(jì)算的可行性，但定量計(jì)算還需要進(jìn)一步改進(jìn)模型。Johnston等[8]發(fā)展了輻射光譜和非Boltzmann模型，提出了在非Boltzmann模型中處理非自吸收的方法。結(jié)果發(fā)現(xiàn)CO(4+)的吸收導(dǎo)致輻射通量升高50%，對(duì)輻射特性模型的不確定性分析則發(fā)現(xiàn)，駐點(diǎn)輻射對(duì)CO輻射的不確定性變化范圍為18%～167%。Brune等[22]也分析了對(duì)流和輻射熱流的不確定性來源，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在駐點(diǎn)區(qū)和錐身部，CO(4+)是輻射熱流不確定性的最大貢獻(xiàn)者。因此，未來必須發(fā)展更為準(zhǔn)確的CN和CO(4+)分子光譜輻射模型。

圖8 輻射強(qiáng)度的NEQAIR計(jì)算值和試驗(yàn)測(cè)試值比較[21]Fig.8 Comparison of spectral radiance between NEQAIR and experiment[21]

圖9 50% CO2混合氣體1300 K下試驗(yàn)和計(jì)算透過率[24]Fig.9 Experimental and computational transmittance,50% CO2 gas mixture at 1300 K[24]

低速進(jìn)入時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注CO2分子輻射，發(fā)射譜帶集中于紅外段。Da Silva等[23]研究發(fā)現(xiàn)MSL進(jìn)入條件下CO2和CO的紅外分子譜帶輻射是輻射加熱的主要來源。Palmer等[24]使用NEQAIR和簡化CDSD-4000數(shù)據(jù)庫計(jì)算CO2在中低溫條件下的紅外輻射，驗(yàn)證了CO2輻射特性模型，如圖9所示。Palmer和Depraz等[25-26]還采用HARA程序計(jì)算CO2輻射強(qiáng)度，和試驗(yàn)，對(duì)比驗(yàn)證了HARA的準(zhǔn)確性。目前仍需發(fā)展中高溫條件下的CO2輻射特性模型。

Lemal等[27]結(jié)合數(shù)值模擬和地面試驗(yàn)，預(yù)測(cè)CO2介質(zhì)中的非平衡輻射熱流。分析了平衡和非平衡條件CO2光譜特征，特別對(duì)平衡狀態(tài)進(jìn)行了光譜數(shù)據(jù)庫影響比較，包括HITEMP-2000[28]和CDSD-4000[29]，發(fā)現(xiàn)CDSD結(jié)果與試驗(yàn)值符合得更好。

基于輻射特性分布進(jìn)行輻射傳輸計(jì)算可得到輻射強(qiáng)度和通量。G?bel等[30]使用PARADE程序?qū)υ偃肓鲌鲞M(jìn)行了一維輻射傳輸計(jì)算。Surzhikov等[31]利用NERAT(2D)和ASTEROID程序?qū)ΧS模型開展了輻射氣體動(dòng)力學(xué)和輻射熱傳輸?shù)挠?jì)算。Johnston等[32]采用粘性激波層(VSL)方法和切平面假設(shè)(tangent slab)對(duì)FIRE II再入流場和輻射傳輸進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)熱流預(yù)測(cè)值在催化和非催化壁面條件下均偏高。Mazaheri等[33]發(fā)展了三維射線追蹤法用于激波層輻射加熱預(yù)測(cè)，對(duì)FIRE II的計(jì)算表明該方法預(yù)測(cè)的駐點(diǎn)熱流比切平面假設(shè)結(jié)果最大低15%。Johnston等[34]認(rèn)為切平面假設(shè)足以計(jì)算輻射通量的散度，但對(duì)于到達(dá)壁面的輻射通量計(jì)算是不足的，流場-輻射耦合計(jì)算可以考慮以切平面假設(shè)計(jì)算空間輻射通量，以射線追蹤法計(jì)算表面輻射加熱。

火星進(jìn)入氣體輻射特性研究取得了較大進(jìn)展，但CO(4+)真空紫外輻射、CO2中高溫紅外輻射和非平衡區(qū)非玻爾茲曼分布模型等仍需開展深入研究。輻射傳輸計(jì)算由一維發(fā)展到三維，由帶有假設(shè)的簡化方法發(fā)展到更為精確的方法，輻射通量預(yù)測(cè)精度得到提高，但非平衡流場和氣體輻射的耦合仍需發(fā)展精度和效率兼顧的輻射傳輸計(jì)算方法。

3 實(shí)驗(yàn)技術(shù)和測(cè)量研究

精細(xì)化的氣體光譜輻射強(qiáng)度測(cè)量試驗(yàn)是火星進(jìn)入氣體輻射加熱研究的重要組成部分，不僅能夠?yàn)閿?shù)值模型驗(yàn)證提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，還有可能發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象和機(jī)制?；鹦沁M(jìn)入常規(guī)力/熱試驗(yàn)開展較早，唐偉等[35]進(jìn)行了詳細(xì)回顧。相對(duì)于氣動(dòng)力/熱試驗(yàn)，氣體輻射試驗(yàn)需要更具針對(duì)性的地面風(fēng)洞和設(shè)備，提供高溫高速和低來流干擾的試驗(yàn)條件，具備精細(xì)光學(xué)測(cè)試能力，以完成難度極大的定量測(cè)試。

氣體輻射測(cè)試經(jīng)歷了總包輻射測(cè)量、譜帶光譜與輻射測(cè)量和譜帶精細(xì)結(jié)構(gòu)測(cè)量等幾個(gè)階段?？偘椛錅y(cè)量采用輻射計(jì)直接測(cè)量總體輻射熱流，典型應(yīng)用是FIRE-II飛行試驗(yàn)[36]。利用光電探測(cè)器結(jié)合窄帶濾光片可實(shí)現(xiàn)譜帶輻射測(cè)量，光譜分辨率可達(dá)到10 nm。目前對(duì)氣體輻射的試驗(yàn)研究更多采用高精度光譜儀進(jìn)行非平衡輻射和光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的測(cè)量，光譜分辨率可小于0.1 nm。

過去十年間，大量基于平衡條件的CO2紅外輻射穿透率和激波后氣體輻射測(cè)量試驗(yàn)被開展[37-40]，其中光譜分辨率各不相同，溫度和CO2分壓分別覆蓋300～2500 K和102～105Pa。這些試驗(yàn)的中低溫條件和平衡狀態(tài)同火星進(jìn)入飛行條件存在差距，不足以支撐相關(guān)模型研究。

利用激波管或膨脹管[27,41]產(chǎn)生高速高焓氣流，能將氣體加熱至3000 K以上，可以模擬一定飛行條件的激波層流動(dòng)，開展氣體輻射強(qiáng)度及分布測(cè)量。NASAAmes研究中心的激波管EAST和CUBRC的膨脹風(fēng)洞LENSXX均開展過激波速度最高12.5 km/s的氣體輻射研究。澳大利亞昆士蘭大學(xué)的膨脹管X2[42]和JAXAChofu中心的激波管高速激波管(High velocity shock tube，HVST)[43]也進(jìn)行了高溫氣體輻射試驗(yàn)。但目前尚未見到在LENS系列風(fēng)洞中開展的模擬火星大氣輻射研究，X2中的CO2輻射試驗(yàn)也更多的集中于金星進(jìn)入，雖然氣體組分和火星相同，但試驗(yàn)條件存在差異，僅部分?jǐn)?shù)據(jù)可用于火星進(jìn)入輻射研究?，F(xiàn)有火星進(jìn)入氣體輻射的試驗(yàn)結(jié)果主要來自于EAST和HVST。

圖10 EAST設(shè)備與測(cè)試系統(tǒng)示意圖[44]Fig.10 Schematic of facility and optical boxes of EAST[44]

EAST通過改造能夠?qū)φ婵兆贤獾街屑t外(120～5500 nm)的光譜區(qū)間進(jìn)行高光譜分辨率和高空間分辨率的氣體輻射強(qiáng)度測(cè)量[44]，是目前開展火星進(jìn)入氣體輻射強(qiáng)度定量測(cè)試最多的設(shè)備。EAST構(gòu)成如圖10所示，包括兩個(gè)激波管和一套共用的驅(qū)動(dòng)段，驅(qū)動(dòng)氣體為氦氣或氫氣[44]，能量最高可達(dá)1.2 MJ。主激波管膜片下游7.5 m處設(shè)有測(cè)試段，此處間隔3.175 cm距離布置一套傳感器，以精確測(cè)量激波到達(dá)時(shí)序。測(cè)試段還安裝有長度約12 cm的窗口，采用6套光學(xué)鏡組來收集激波后的氣體輻射發(fā)射，將其發(fā)光成像于光譜儀狹縫處。測(cè)試設(shè)備包括4套光學(xué)設(shè)備，每套均有各自的光譜儀，對(duì)同一軸向位置的4個(gè)不同立體角方位進(jìn)行成像。光譜儀分散至波長空間的成像由其后的二維CCD接收，最終得到隨軸向位置和波長變化的輻射強(qiáng)度分布。4套光譜儀一般選擇測(cè)試不同的波長區(qū)間，包括真空紫外(VUV，120～200 nm)、紫外/可見光(UV/VIS，200～500 nm)、可見光/近紅外(VIS/NIR，500～900 nm)、近紅外(NIR，900～1600 nm)和中紅外(MWIR，1600～5500 nm)。定量標(biāo)定方面，可見光至近紅外使用積分球作為均勻輻射源，小于300 nm的標(biāo)定采用氘氣電弧，該方法優(yōu)于使用氘燈，中紅外則使用黑體腔。光譜輻射定量標(biāo)定在理論上較為明確，但在實(shí)際應(yīng)用中存在很多挑戰(zhàn)[45]。

壓力高于130Pa條件下，CN紫色譜帶輻射不再滿足光學(xué)薄假設(shè)，導(dǎo)致很難在不同地面設(shè)備之間進(jìn)行測(cè)試結(jié)果的比較。Cruden在EAST上開展了速度6～8 km/s的氣體輻射定量測(cè)試試驗(yàn)[46]，發(fā)現(xiàn)大部分低密度試驗(yàn)狀態(tài)下激波未能達(dá)到平衡態(tài)，在這種狀態(tài)下，CO真空紫外輻射貢獻(xiàn)很大，同時(shí)還有CN輻射，而CO振動(dòng)躍遷引起的中紅外輻射則較小。

圖11 火星大氣7.7 km/s 133 Pa CO(4+)真空紫外輻射[47]Fig.11 VUV radiation of CO(4+)at 7.7 km/s 133 Pa in simulated Martian atmosphere[47]

CO(4+)輻射在高速火星進(jìn)入輻射加熱中扮演的重要角色引起了研究者的關(guān)注，但由于其位于真空紫外譜帶，環(huán)境氧氣具有極強(qiáng)的吸收作用，因此試驗(yàn)測(cè)試非常困難。EAST將真空紫外譜段測(cè)試光路完全放置于真空或純凈氮?dú)猸h(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該譜段的測(cè)量。Cruden等[47-48]在真空紫外到中紅外波段(120～1650 nm，3～5 μm)進(jìn)行的定量輻射測(cè)試試驗(yàn)首次成功實(shí)現(xiàn)了CO(4+)真空紫外譜帶的絕對(duì)輻射量測(cè)量，如圖11所示。云圖是輻射強(qiáng)度隨波后軸向位置和光譜波長的分布，橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)為波后位置。右側(cè)曲線為該波長范圍內(nèi)輻射強(qiáng)度隨波后位置的變化，下方曲線為波后固定位置輻射強(qiáng)度隨波長的變化。

Cruden等還進(jìn)行了相對(duì)低速的CO2分子振動(dòng)紅外輻射測(cè)量[47]。基于平衡溫度的NEQAIR計(jì)算結(jié)果在一些狀態(tài)下與試驗(yàn)值符合良好。對(duì)速度1～10 km/s條件下的絕對(duì)輻射強(qiáng)度測(cè)量值進(jìn)行的光譜特性、輻射強(qiáng)度和時(shí)空變化規(guī)律等分析[45]表明，試驗(yàn)中得到的振動(dòng)溫度、波后松弛等參數(shù)可用于檢驗(yàn)和修正動(dòng)力學(xué)模型，并發(fā)現(xiàn)在某些條件下激波波后的非平衡狀態(tài)與松弛過程同真實(shí)進(jìn)入飛行條件下沿駐點(diǎn)線的變化規(guī)律缺乏相似性，其機(jī)理目前尚不清楚，對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)方法提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。

圖12 7.1 km/s 1Torr總輻射強(qiáng)度變化[49]Fig.12 Variation of total radiationintensity at 7.1 km/s 1Torr[49]

Takayanagi等[43]在升級(jí)后的HVST中模擬CO2環(huán)境，通過兩臺(tái)光譜儀進(jìn)行VUV至NIR的發(fā)射光譜測(cè)量。試驗(yàn)中以氘燈對(duì)VUV至UV段進(jìn)行標(biāo)定，獲得絕對(duì)輻射量。同時(shí)還測(cè)量了C2Swan可見光段和O、C原子近紅外段的輻射光譜。Takayanagi等[49]改進(jìn)標(biāo)定方法，利用氘燈和鹵鎢燈進(jìn)行標(biāo)定，開展了狀態(tài)133.3 Pa、7.0 km/s和13.3 Pa、8.5 km/s 時(shí)VUV至UV段和UV至NIR段的光譜輻射發(fā)射強(qiáng)度定量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)133.3 Pa、7.0 km/s狀態(tài)下，波后5 mm位置處流動(dòng)達(dá)到平衡，如圖12所示，而13.3 Pa、8.5 km/s條件下流動(dòng)完全處于非平衡態(tài)。

Takayanagi等[50]針對(duì)CO2振轉(zhuǎn)模態(tài)的中紅外輻射，開展了速度2.5～8 km/s的輻射測(cè)量試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)激波速度小于6 km/s時(shí)，紅外輻射隨速度減小而增大。化學(xué)平衡及應(yīng)用程序(Chemical equilibrium with applications，CEA)的計(jì)算結(jié)果表明在速度3 km/s、溫度2500 K條件下CO2數(shù)密度最高，因此紅外輻射最強(qiáng)。激波速度大于6 km/s時(shí)，紅外輻射隨速度增大而增大，源于C原子發(fā)射的紅外輻射增強(qiáng)，但此時(shí)的輻射強(qiáng)度小于速度3 km/s狀態(tài)。Takayanagi等[51]隨后對(duì)HVST進(jìn)行升級(jí)，改造為膨脹管高速膨脹管(High velocity expansion tube，HVET)，進(jìn)行了試驗(yàn)時(shí)間、流動(dòng)參量等測(cè)試，獲得了速度5.5 km/s時(shí)的輻射強(qiáng)度分布，但還沒有定量結(jié)果。

火星進(jìn)入輻射測(cè)量試驗(yàn)中高空間、高光譜分辨的輻射強(qiáng)度定量測(cè)量技術(shù)得到發(fā)展，獲取的光譜數(shù)據(jù)為數(shù)值模型改進(jìn)提供了參考，觀察到了真空紫外譜段和非平衡區(qū)的重要輻射現(xiàn)象，引導(dǎo)了CO真空紫外輻射研究。對(duì)準(zhǔn)確標(biāo)定方法、CO(4+)與CN輻射、以及非平衡松弛過程與飛行駐點(diǎn)線相似性偏差等問題還需要進(jìn)行更為深入的研究。

4 火星進(jìn)入器設(shè)計(jì)中的輻射加熱研究

基于火星進(jìn)入非平衡氣體輻射的數(shù)值和試驗(yàn)基礎(chǔ)研究，陸續(xù)開展了實(shí)際進(jìn)入器熱防護(hù)設(shè)計(jì)中的輻射加熱問題研究。目前的研究熱點(diǎn)集中在火星進(jìn)入條件下的流動(dòng)輻射耦合與進(jìn)入器后體輻射加熱。

Bansal等[52]利用OpenFOAM計(jì)算流動(dòng)，采用k分布方法計(jì)算輻射特性，一維和二維切平面方法計(jì)算輻射傳輸，開展了火星進(jìn)入氣體輻射耦合計(jì)算。發(fā)現(xiàn)考慮耦合后，輻射對(duì)流動(dòng)和壁面有明顯的冷卻作用，如圖13所示。耦合造成激波脫體距離減小，激波層內(nèi)氣體溫度下降約500 K。

圖13 非耦合與耦合算例的駐點(diǎn)線溫度比較[52]Fig.13 Comparison of stagnation line temperature for uncoupled and coupled cases[52]

Palmer等[53]對(duì)兩種未來大質(zhì)量火星進(jìn)入器進(jìn)行了耦合分析，進(jìn)入器直徑5～15 m，質(zhì)量100～160 t，速度6～9 km/s。結(jié)果表明在高速條件下，CO(4+)、CN(B-X)、C2(Swan)和CN(A-X)是主要輻射。速度高于8.5 km/s時(shí)耦合效應(yīng)影響最大，輻射熱流冷卻約17%，如圖14所示。

圖14 類MSL外形8.5 km/s耦合對(duì)表面熱流的影響[53]Fig.14 Coupling effect on surface heating rates at 8.5 km/s on MSL-based vehicle[53]

流動(dòng)輻射耦合與后體輻射加熱是未來火星進(jìn)入器設(shè)計(jì)中必須考慮的問題，對(duì)低設(shè)計(jì)余量的熱防護(hù)系統(tǒng)更是需要精確預(yù)測(cè)的。目前在這方面開展的研究還非常不足，理論模型、計(jì)算方法和試驗(yàn)測(cè)試均需開展更多的研究工作。

火星進(jìn)入器后體熱流較小，尤其是輻射熱流，基本可以被忽略，因此在以往的設(shè)計(jì)中未被考慮。但近期的數(shù)值研究[54-55]和飛行數(shù)據(jù)分析[56-57]表明，后體受到的氣體輻射加熱是不可忽視的，同對(duì)流熱流在同一量級(jí)。

Fujita利用非平衡氣動(dòng)熱力學(xué)優(yōu)化分析程序(JAXA optimized nonequilibrium aerothermodynamic analysis，JAXA JONATHAN)求解流場，程序輻射分析結(jié)構(gòu)求解器(Structured package for radiation analysis，SPRADIAN2)計(jì)算輻射，對(duì)一種火星氣動(dòng)捕捉演示飛行器開展了數(shù)值分析[58]。圖15是高度50 km、速度5.6 km/s狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果。雖然后體輻射熱流相比前體較低，但高于對(duì)流熱流，主要來自于尾流中的CO2復(fù)合，和隨之而來的CO2紅外光譜范圍內(nèi)的振轉(zhuǎn)躍遷輻射[58]。

圖15 前體和后體的輻射熱流與對(duì)流熱流比較[58]Fig.15 Comparison of forebody and aftbody radiative heat transfer rate with convective heat transfer rate[58]

Brandis對(duì)Insight的輻射加熱開展了研究[59]，流場計(jì)算采用LAURA和DPLR，輻射計(jì)算使用NEQAIR和HARA。Insight外形近似于Phoenix(鳳凰號(hào))，預(yù)計(jì)2018年11月登陸火星。表1是得到的進(jìn)入器前體和后體特征點(diǎn)的峰值對(duì)流熱流和輻射熱流。對(duì)流熱流在前體占有絕對(duì)支配地位，但在后體，輻射熱流確實(shí)達(dá)到了接近或超過對(duì)流熱流的量值，比如肩部和尾端中心線。文中也指出在復(fù)雜尾流中，采用切平面方法進(jìn)行輻射傳輸計(jì)算存在問題。

表1 Phoenix外形的峰值對(duì)流和輻射熱流[59]Table 1 Peak convective and radiative heating for Phoenix geometry[59]

目前，進(jìn)入器尾跡流動(dòng)中CO2的熱力學(xué)狀態(tài)存在很大的不確定性:①由于缺乏代表性數(shù)據(jù);②因?yàn)椴煌芯啃〗M的不同數(shù)值模擬結(jié)果之間缺乏相互驗(yàn)證。例如，文獻(xiàn)[55]考慮的是CO2熱力學(xué)平衡狀態(tài)，而文獻(xiàn)[56]的工作則表明CO2各振動(dòng)態(tài)之間的非平衡效應(yīng)很顯著。為促進(jìn)對(duì)CO2熱力學(xué)狀態(tài)的認(rèn)識(shí)，減小不確定性，Takayanagi等在HVET上開展了針對(duì)性試驗(yàn)[60]，對(duì)控制CO2振動(dòng)離解和輻射的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析[61]。Gu等[62]在X2膨脹管上對(duì)火星進(jìn)入后體輻射加熱開展了試驗(yàn)研究，測(cè)量了不同速度下CO24.3 μm譜帶的發(fā)射光譜，和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示預(yù)測(cè)值在2.8 km/s速度下明顯高估，4.0 km/s速度下則低估。

火星進(jìn)入后體輻射加熱研究剛剛起步，在影響后體輻射的氣體分子熱力學(xué)非平衡狀態(tài)、氣體光譜輻射特性驗(yàn)證、輻射傳輸計(jì)算和相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)量與驗(yàn)證等方面還亟待開展大量研究。

5 結(jié)束語

火星進(jìn)入氣體輻射加熱研究由簡單到精細(xì)，數(shù)值模型的建立和完善，地面試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展和測(cè)量等均取得了較大進(jìn)展，對(duì)輻射機(jī)理有了更充分的認(rèn)識(shí)，掌握了支撐進(jìn)入器設(shè)計(jì)的初步計(jì)算能力和試驗(yàn)技術(shù)。在以下方面仍需開展進(jìn)一步的研究，包括：

1)火星大氣氣體輻射特性和地面試驗(yàn)驗(yàn)證。火星進(jìn)入氣體輻射機(jī)制復(fù)雜，高速進(jìn)入的CO(4+)真空紫外輻射和低速進(jìn)入的CO2紅外輻射等需要有針對(duì)性的建立模型，考核光譜數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性和適用性，同時(shí)開展對(duì)應(yīng)狀態(tài)的高分辨光譜輻射定量試驗(yàn)，并需在不同地面設(shè)備開展多狀態(tài)精細(xì)光譜測(cè)試，以排除干擾因素，提供準(zhǔn)確的驗(yàn)證數(shù)據(jù)；

2)適用于火星進(jìn)入氣體輻射加熱預(yù)測(cè)的熱化學(xué)非平衡數(shù)值模型以及試驗(yàn)驗(yàn)證?；鹦谴髿猸h(huán)境的熱化學(xué)模型用于氣體輻射預(yù)測(cè)還存在不確定性，需要繼續(xù)開展模型分析和改進(jìn)工作，基于激波結(jié)構(gòu)、溫度和非平衡狀態(tài)的定量測(cè)試完成模型確認(rèn)，針對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的波后非平衡松弛過程與飛行狀態(tài)駐點(diǎn)線變化規(guī)律缺乏相似性的問題，需要開展深入分析；

3)火星進(jìn)入流動(dòng)和氣體輻射耦合效應(yīng)分析。對(duì)于未來火星進(jìn)入器，氣體輻射顯著增強(qiáng)，需要耦合考慮氣體輻射、非平衡流動(dòng)以及表面燒蝕等過程，分析多物理效應(yīng)之間的相互作用和影響規(guī)律，發(fā)展兼顧計(jì)算精度和效率的流動(dòng)輻射耦合計(jì)算方法。

4)火星進(jìn)入器后體輻射加熱規(guī)律及機(jī)理研究。未來火星進(jìn)入器要求更為精細(xì)化的熱防護(hù)設(shè)計(jì)，后體防熱罩的減重依賴于準(zhǔn)確的熱流預(yù)測(cè)。對(duì)于存在非定常特性和復(fù)雜渦結(jié)構(gòu)與剪切流動(dòng)的進(jìn)入器后體，需要繼續(xù)開展后體輻射加熱的計(jì)算和試驗(yàn)研究。