2024年4月14日发(作者：杨昊磊)
第十六届全国计算流体力学会议
火星大气模型参数对火星科学实验室气动力特性的
影响
吕俊明，苗文博，程晓丽，王 强
（中国航天空气动力技术研究院，北京 100074）
摘 要
：
火星大气与地球大气截然不同，造成的飞行器气动特性变化将影响布局、弹道设计和大气重构等。针对火星进入器
MSL（火星科学实验室）在EDL（进入-下降-着陆）过程中的高超声速进入段，利用三维并行程序求解流体动力学Navier-Stokes
方程，分析MSL进入火星大气时大气模型对进入器气动特性的影响。结果表明，通过与海盗号飞行数据的对比验证了采用的
火星气体模型和计算方法，同NASA的LAURA代码气动特性计算结果非常一致；大气模型中的气体组分性质，即CO
2
环境
对进入器阻力系数和俯仰力矩系数影响较大，必须考虑CO
2
效应的影响；大气模型中的密度参数变化对进入器气动特性基本
没有影响，温度变化有较小影响。
关键词：火星大气；高超声速进入；火星科学实验室；气动特性；大气不确定性
Effect of Martian Atmosphere Model Parameters
on Aerodynamic Characteristic of Mars Science
Laboratory
LV Jun-ming, MIAO Wen-bo, CHENG Xiao-li, WANG Qiang
(China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing 100074, China)
Abstract: The distinguish difference between Martian atmosphere and Earth atmosphere results in the different aerodynamics
characteristic of the entry vehicles, that will clearly impact the pre-flight geometry configuration, trajectory design and post-flight
Martian atmosphere reconstruction. Three-dimensional Navier-Stokes equations are solved by a parallel code to analyze the flow field
structures, aerodynamics characteristic introduced by CO
2
effect and the change of aerodynamics characteristic caused by the
uncertainty of Martian atmosphere of Mars Science Laboratory in hypersonic entry phase of Entry-Descending-Landing procedure
when entering the Martian atmosphere. The results show that the computational data of Viking based on current Martian atmosphere
model and numerical methods has a good agreement with the flight data and LAURA results. Gas species in model, which are mainly
CO
2
for Mars, have a great influence on the drag and pitching moment coefficients compared to the air model of Earth, so CO
2
correction should be considered while the aerodynamic data is derived from air. Change of the density in atmosphere model produces
no distinctness for aerodynamic characteristic, while change of the temperature has a little
influence
.
Key words: Martian atmosphere; Hypersonic entry; Mars Science Laboratory; Aerodynamic characteristic; Atmosphere uncertainty
[1-4]
0 引 言
越来越频繁的火星探测计划，以及火星采样返
回、载人登陆和火星基地建设等可能的后续任务，
对准确预测探测器在火星大气环境中的气动特性
1
提出了严格要求。陌生的大气环境、技术手段
的局限和基础数据的缺乏都对气动特性预测带来
了极大的挑战。
火星大气主要由95.7%的CO
2
、2.7%的N
2
和
1.6%的Ar组成，与地球大气显著不同，密度也只
第十六届全国计算流体力学会议
有地球大气的百分之一，因此飞行器进入火星大气
和再入地球大气的过程与遭遇的气动环境非常不
同。NASA成功的几个火星进入器，海盗号1号和
2号是第一个以非0配平攻角进入火星大气的飞行
器
[5]
。当时1970年代还缺乏先进的计算流体力学
技术，因此对海盗号飞行前气动特性评估主要采用
地面试验数据，附加CO
2
大气环境修正。之后，
火星探路者号（Mars Pathfinder）和火星探索漫游
者号（Mars Exploration Rovers）成功进入，这两
颗进入器均采用0°攻角。对MPF和MER的气动
评估几乎全部基于计算流体力学模拟结果
[6-8]
。所
以，对这两颗进入器都没有开展气动特性的地面实
验研究。随着探测器有效载荷逐渐增大，探测器的
质量和体积越来越大，对于非常稀薄的火星大气，
为使探测器有充足时间进行减速，必须采用升力式
进入方式
[9,10]
，以增加下降过程时间。美国最新研
制的火星科学实验室（Mars Science Laboratory,
MSL）探测器采用了升力式进入的设计思路
[11]
。
导航控制算法依靠升力减小由于导航、气动特性和
大气环境的不确定性而带来的着陆椭圆误差。通过
CFD预测MSL进入过程的气动特性依然是设计阶
段的重要手段。对火星进入器气动特性的准确预测
也可以帮助更好的理解EDL系统极其在异常条件
下的鲁棒性
[12]
。
目前没有公开的并能够应用于工程实际的火
星大气模型，从文献中获得的火星大气环境参数的
准确性还属未知，大气模型中气体组分和密度、温
度等参数可能影响进入器的气动特性，从而影响
EDL弹道设计，因此有必要对火星大气模型极其
可能存在的误差进行相关气动分析。针对MSL探
测器，通过三维数值模拟，分析火星大气模型对气
动特性的影响，对于理解火星进入飞行器的气动特
性以及大气模型不确定性影响具有重要的学术意
义与工程价值。
1 物理模型与计算条件
物理模型选用美国火星科学实验室，如图1
所示，具体尺寸参考文献[9]。
图1 MSL模型
Fig.1 The physical model of MSL
根据火星大气成分采用CO
2
真实气体模型，
来流参数通过综合文献[9,10]，选定基准状态为高
度44.1 km，速度约4.3 km/s。壁面取无滑移等温
条件，T
W
=700 K。特征长度取前体直径4.5 m，参
考面积为前体面积，质心位置为x
cg
=1.25 m，
y
cg
=0.097 m。大气模型偏差方面，考虑2.0倍和0.5
倍密度，温度升高20%和40%，每个状态点计算3
个不同攻角。具体参见表1。
表1 计算状态
(km)U(m/s) T
∞
(K) ρ
∞
(kg/m
3
)α(°)
1 CO
2
44.1 4300 145.3 1.9870E-04
2 Air44.1 4300 145.3 1.9870E-04
3 CO
-5
2
44.1 4300 145.3 3.9740E-04
4 CO
-15
2
44.1 4300 145.3 9.9350E-05
-25
5 CO
2
44.1 4300 174.4
1.9870E-04
6 CO
2
44.1 4300 203.4
1.9870E-04
2 计算方法
流动考虑层流状态，直角坐标系下的三维可压
缩层流Navier-Stokes方程可以写为
∂
U
∂
F
∂
G
∂
H
∂
t
+
∂
x
+
∂
y
+
∂
z
=
∂
F
V
∂
x
+
∂
G
V
∂
y
+
∂
H
V
∂
z
+
S
其中，U为守恒型独立变量，F、G、H分别
为x
、
y、z方向的对流通量，F
V
、G
V
、H
V
分别为x、
y、z方向的输运通量，S为源项。
对流项采用AUSMPW+格式
[13]
，其中半点值
2
2024年4月14日发(作者：杨昊磊)
第十六届全国计算流体力学会议
火星大气模型参数对火星科学实验室气动力特性的
影响
吕俊明，苗文博，程晓丽，王 强
（中国航天空气动力技术研究院，北京 100074）
摘 要
：
火星大气与地球大气截然不同，造成的飞行器气动特性变化将影响布局、弹道设计和大气重构等。针对火星进入器
MSL（火星科学实验室）在EDL（进入-下降-着陆）过程中的高超声速进入段，利用三维并行程序求解流体动力学Navier-Stokes
方程，分析MSL进入火星大气时大气模型对进入器气动特性的影响。结果表明，通过与海盗号飞行数据的对比验证了采用的
火星气体模型和计算方法，同NASA的LAURA代码气动特性计算结果非常一致；大气模型中的气体组分性质，即CO
2
环境
对进入器阻力系数和俯仰力矩系数影响较大，必须考虑CO
2
效应的影响；大气模型中的密度参数变化对进入器气动特性基本
没有影响，温度变化有较小影响。
关键词：火星大气；高超声速进入；火星科学实验室；气动特性；大气不确定性
Effect of Martian Atmosphere Model Parameters
on Aerodynamic Characteristic of Mars Science
Laboratory
LV Jun-ming, MIAO Wen-bo, CHENG Xiao-li, WANG Qiang
(China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing 100074, China)
Abstract: The distinguish difference between Martian atmosphere and Earth atmosphere results in the different aerodynamics
characteristic of the entry vehicles, that will clearly impact the pre-flight geometry configuration, trajectory design and post-flight
Martian atmosphere reconstruction. Three-dimensional Navier-Stokes equations are solved by a parallel code to analyze the flow field
structures, aerodynamics characteristic introduced by CO
2
effect and the change of aerodynamics characteristic caused by the
uncertainty of Martian atmosphere of Mars Science Laboratory in hypersonic entry phase of Entry-Descending-Landing procedure
when entering the Martian atmosphere. The results show that the computational data of Viking based on current Martian atmosphere
model and numerical methods has a good agreement with the flight data and LAURA results. Gas species in model, which are mainly
CO
2
for Mars, have a great influence on the drag and pitching moment coefficients compared to the air model of Earth, so CO
2
correction should be considered while the aerodynamic data is derived from air. Change of the density in atmosphere model produces
no distinctness for aerodynamic characteristic, while change of the temperature has a little
influence
.
Key words: Martian atmosphere; Hypersonic entry; Mars Science Laboratory; Aerodynamic characteristic; Atmosphere uncertainty
[1-4]
0 引 言
越来越频繁的火星探测计划，以及火星采样返
回、载人登陆和火星基地建设等可能的后续任务，
对准确预测探测器在火星大气环境中的气动特性
1
提出了严格要求。陌生的大气环境、技术手段
的局限和基础数据的缺乏都对气动特性预测带来
了极大的挑战。
火星大气主要由95.7%的CO
2
、2.7%的N
2
和
1.6%的Ar组成，与地球大气显著不同，密度也只
第十六届全国计算流体力学会议
有地球大气的百分之一，因此飞行器进入火星大气
和再入地球大气的过程与遭遇的气动环境非常不
同。NASA成功的几个火星进入器，海盗号1号和
2号是第一个以非0配平攻角进入火星大气的飞行
器
[5]
。当时1970年代还缺乏先进的计算流体力学
技术，因此对海盗号飞行前气动特性评估主要采用
地面试验数据，附加CO
2
大气环境修正。之后，
火星探路者号（Mars Pathfinder）和火星探索漫游
者号（Mars Exploration Rovers）成功进入，这两
颗进入器均采用0°攻角。对MPF和MER的气动
评估几乎全部基于计算流体力学模拟结果
[6-8]
。所
以，对这两颗进入器都没有开展气动特性的地面实
验研究。随着探测器有效载荷逐渐增大，探测器的
质量和体积越来越大，对于非常稀薄的火星大气，
为使探测器有充足时间进行减速，必须采用升力式
进入方式
[9,10]
，以增加下降过程时间。美国最新研
制的火星科学实验室（Mars Science Laboratory,
MSL）探测器采用了升力式进入的设计思路
[11]
。
导航控制算法依靠升力减小由于导航、气动特性和
大气环境的不确定性而带来的着陆椭圆误差。通过
CFD预测MSL进入过程的气动特性依然是设计阶
段的重要手段。对火星进入器气动特性的准确预测
也可以帮助更好的理解EDL系统极其在异常条件
下的鲁棒性
[12]
。
目前没有公开的并能够应用于工程实际的火
星大气模型，从文献中获得的火星大气环境参数的
准确性还属未知，大气模型中气体组分和密度、温
度等参数可能影响进入器的气动特性，从而影响
EDL弹道设计，因此有必要对火星大气模型极其
可能存在的误差进行相关气动分析。针对MSL探
测器，通过三维数值模拟，分析火星大气模型对气
动特性的影响，对于理解火星进入飞行器的气动特
性以及大气模型不确定性影响具有重要的学术意
义与工程价值。
1 物理模型与计算条件
物理模型选用美国火星科学实验室，如图1
所示，具体尺寸参考文献[9]。
图1 MSL模型
Fig.1 The physical model of MSL
根据火星大气成分采用CO
2
真实气体模型，
来流参数通过综合文献[9,10]，选定基准状态为高
度44.1 km，速度约4.3 km/s。壁面取无滑移等温
条件，T
W
=700 K。特征长度取前体直径4.5 m，参
考面积为前体面积，质心位置为x
cg
=1.25 m，
y
cg
=0.097 m。大气模型偏差方面，考虑2.0倍和0.5
倍密度，温度升高20%和40%，每个状态点计算3
个不同攻角。具体参见表1。
表1 计算状态
(km)U(m/s) T
∞
(K) ρ
∞
(kg/m
3
)α(°)
1 CO
2
44.1 4300 145.3 1.9870E-04
2 Air44.1 4300 145.3 1.9870E-04
3 CO
-5
2
44.1 4300 145.3 3.9740E-04
4 CO
-15
2
44.1 4300 145.3 9.9350E-05
-25
5 CO
2
44.1 4300 174.4
1.9870E-04
6 CO
2
44.1 4300 203.4
1.9870E-04
2 计算方法
流动考虑层流状态，直角坐标系下的三维可压
缩层流Navier-Stokes方程可以写为
∂
U
∂
F
∂
G
∂
H
∂
t
+
∂
x
+
∂
y
+
∂
z
=
∂
F
V
∂
x
+
∂
G
V
∂
y
+
∂
H
V
∂
z
+
S
其中，U为守恒型独立变量，F、G、H分别
为x
、
y、z方向的对流通量，F
V
、G
V
、H
V
分别为x、
y、z方向的输运通量，S为源项。
对流项采用AUSMPW+格式
[13]
，其中半点值
2