在航天工程中，火箭的级间分离是决定发射成败的关键环节之一，一旦分离失败，整个任务可能前功尽弃。近年来，随着数值仿真技术的发展，工程师们已经能够在计算机中“预演”分离过程，提前发现潜在风险。

本文将带你深入某型火箭一二级热分离的仿真全过程，从建模、网格、边界条件到运动耦合，一步步揭示火箭如何在高速飞行中“安全分手”

01 案例背景：多级火箭的技术优势与分离挑战

单级火箭的大速度不超过7公里/秒，难以将目标航天器送入预定轨道，为提高火箭的运载能力，目前多采用两级或多级联结的方式。与单级火箭相比，多级火箭针对不同工况分别设定各级发动机参数，可使得火箭在飞行过程中更加贴近佳工作状态。在整个多级火箭的设计研发过程中，分离技术是每个型号的核心技术之一。有数据表明，在2006-2009年这3年间，全球出现的13次运载火箭发射事故中，有3次来源于级间分离故障。

火箭的级间热分离是一个流场与运动相互耦合的物理过程，单独拆分其中之一进行研究难免顾此失彼，本文利用网格重构技术，通过六自由度下流场与运动耦合的数值计算方法，对多级火箭的级间热分离过程进行了仿真计算研究。

采用INTESIM-CFD2流体分析软件对火箭一二级级间热分离过程进行瞬态分析，查看从点火分离开始的整个过程流场细节的变化，探究其全程运动规律，进而预测分离过程的安全性，为未来的设计与试验提供理论参考。

02 案例功能特点

所属物理场：流体场INTESIM-CFD2

案例功能：网格重构、六自由度运动

分析类型：瞬态分析

03 案例分析：从几何模型到运动设置

几何模型

几何模型如图1所示，模型中包含一级箭体、二级箭体以及一二级的级间区三部分。

图1 几何模型

网格划分

Z=0m截面网格如图2所示，全域采用四面体网格，网格总数3041449。对级间区进行网格加密处理。

（a）计算域网格

（b）级间区网格

图2 剖面网格

材料参数

材料设置为空气，属性设置如表1所示。

表1 材料属性

边界条件设置

设定飞行高度为28km，环境压力为1586.3Pa，温度为224.65K，来流马赫数为4，来流攻角为2°。0s发动机点火，开始级间分离，设定级间区静压为100000Pa，并且喷管以一定的角速度偏转。

喷管入口采用压力入口，箭体（包含一级与二级）表面均设置为绝热壁面；空气域外边界设置为远场边界。具体参数设置如下表所示。

表2 边界条件参数设置

仿真边界条件如下图所示。

图3 仿真边界条件示意图

动网格设置

指定网格光顺区域为全域，冻结边界为外流域边界及一级箭体表面，给定线性求解器、大迭代次数及目标残差/小单元体积。具体参数设置如下图所示。

图4 网格光顺设置

指定网格重构区域为全域，勾选局部网格重构后，软件自动选定需要重构的网格范围。给定旧网格重构策略与新网格生成控制。具体参数设置如下图所示。

图5 网格重构设置

六自由度运动设置

指定二级箭体为运动边界，给定箭体质量、重力加速度、惯性张量、重心位置。具体参数设置如下图所示。

图6 六自由度运动设置

运动边界设置

设置喷管以0.872665rad/s的角速度绕+Z轴方向旋转，旋转中心为（0，-10.098，0）m。具体参数设置如下图所示。

图7 运动参数设置

图8 运动边界设置

04 仿真结果：揭示分离全过程流动特性

网格运动结果

查看不同时刻喷口运动姿态、级间分离及网格重构效果，如图9所示。

图9 级间区剖面网格

马赫数分布

级间区附近Z=0m剖面马赫数云图如图10所示，随着一级箭体与二级箭体的分离，分离区内部的高温高压气体逐渐排出，从0.08s马赫数云图上可以看到分离间隙附近出现了明显的速度扩张区，随着分离间隙的加大，速度扩张区消失，喷管内形成稳定的尾焰。

图10 级间区剖面马赫数分布云图

静压分布

级间区附近Z=0m剖面静压云图如图11所示，发动机点火后，二级箭体后封头中心位置受到气流的冲击，随着时间的发展，二级箭体在重力与气动力的作用下持续下落，后封头中心位置的静压变化趋势为先增大后减小。

图11 级间区剖面静压分布云图

监测点静压历程曲线

发动机点火后，高温高压燃气在级间区域内传播，会对壁面产生不良影响，为更好的了解级间区壁面及前、后封头的压力分布状况，在数值仿真过程中对该区域的静压进行了监测。监测点分布在各处壁面的特征位置，以便于较全面的反映级间区内各处的参数变化，包括前封头上部分弧线中点，一级箭体壁面中点，二级箭体壁面中点、后封头中心位置以及喷管扩张段外壁面后半段中点，监测点位置分布示意图如图12所示，监测点坐标如表3所示。

图12 监测点位置分布示意图

表3 监测点坐标

监测点静压历程曲线如图13所示。在级间分离初始阶段，级间间隙较小，大量燃气被储存在级间区无法顺利排出；随着级间间隙的增加，级间区内储存的燃气逐渐排出，点1、2、5的静压历程表征为先增加后减小。点3、4位于二级箭体，受到发动机尾焰的直接冲击，因此起始阶段会有静压的陡增；由于喷管尾焰产生的冲击不是稳定冲击，压力陡增之后会存在压力的陡降；由于憋压过程，静压再次增大；终随着分离距离的增加，静压表征为稳定下降。处于稳定分离阶段之后，点3、4仍旧会受到尾焰的冲击作用，因此终阶段点3、4的静压会高于点1、2、5静压。

图13 监测点静压历程曲线

二级箭体重心历程曲线

二级箭体重心历程曲线如图14所示。

图14 二级箭体重心历程曲线

INTESIM-CFD2（密度基流体软件）软件基于有限体积密度基算法开发，主要用于可压流体的高马赫数、高超声速流场仿真计算，为航空、航天、武器装备、轨道交通等领域的相关问题提供解决方案。

从上述案例可以看出，INTESIM-CFD2对于超高温超高压分析以及网格重构问题具备仿真能力。通过对流场和运动的分析，可以为火箭级间热分离过程的安全性提供理论依据。

火箭级间热分离，不仅是力与美的结合，更是计算科学与工程实践的完美交融。通过高精度仿真，我们不仅“看见”了分离的瞬间，更预见了安全飞行的每一步。未来，随着仿真技术的不断突破，火箭分离将更加精准、可靠，为中国航天迈向更深宇宙奠定坚实基础。