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随着航天技术的快速发展,越来越多航天器穿梭于地球与外太空、外太空与其他行星之间,且以近轨道速度进入行星大气层的问题变得越来越普遍。航天器在稀薄气体环境中飞行时的气动特性与在稠密大气环境中的气动特性之间有较大差异。因此建立过渡流区气动特性预测平台对我国航天和国防事业的意义重大,而将DSMC数值模拟技术与桥函数工程估算方法相结合就是一种行之有效的方案。首先,本文在理论和应用方面对DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)数值模拟方法进行了研究,并利用DSMC程序对一些简单外形的高超声速稀薄流绕流进行了模拟计算,模拟结果与风洞试验符合良好。利用DSMC方法对大钝头的返回舱在不同高空的飞行过程进行了模拟,计算结果表明,当采用DSMC程序对三维流场进行模拟时,表征航天器气动外形的三角化面网格数量对结果的精度没有影响;当每个碰撞网格中的模拟分子数小于8时,总模拟分子数的多少成为了影响结果精度的主要因素。之后,对大钝头、低升阻比返回舱和火星探测器在不同稀薄气流环境中气动特性和流场特性的研究表明,航天器气动特性受稀薄气体效应的影响较大,强烈的粘性效应导致阻力系数随努森数的增大而增大;升力系数和升阻比对气流稀薄程度的变化比较敏感;返回舱在稀薄流区是静不稳定的,纵向压心位置受来流稀薄程度的影响较大;气流越稀薄,升阻比变化幅度越小;来流速度(即马赫数)对航天器气动特性的影响较小。此外,随着来流变得越来越稀薄,钝体前端的激波越来越厚,绕流波及的范围也越来越大,且尾迹区的涡逐渐消失不见。最后,从DSMC模拟结果中分析过渡流区气动特性的变化规律,构造出新型sig桥函数。在将sig桥函数与数值模拟结果以及风洞试验数据的对比分析中发现,包含三个适应参数的sig桥函数在估算精度和适用流域的跨度方面都优于其他整体桥函数;此外,对于不同的气动外形和不同来流攻角,sig桥函数的适应性不受影响。