超压气球驻空过程热力学特性分析

超压气球具有结构简单、载荷量大、驻空时间长等突出优点,可以应用于侦察、通信、运输补给等各个方面,实现与空天地的衔接和中继。由于飞行原理和工作环境特殊,在其设计过程中必须重点考虑热力学特性的影响。文章详细分析了临近空间热环境,包括太阳辐射、长波辐射、对流换热等。在此基础上建立了超压气球三维瞬态热力学模型,编制了仿真程序,对超压气球驻空过程进行了研究;得到了蒙皮温度、氦气温度以及气球超压等随时间的变化规律,并分析了充气量、驻空季节纬度以及蒙皮物性对氦气温度的影响。结果表明:驻空过程气球蒙皮温度分布不均匀,随太阳方位变化而变化,最大温差达65K;考虑氦气中杂质的辐射吸收作用时,白天氦气的平均温度高于蒙皮的平均温度;氦气的"超热"会引起气球的超压,在不同季节和纬度飞行时应选择不同的充气量,将超压控制在合理范围内;为减小超压量,可以选择可见光吸收率小而红外发射率大的蒙皮材料。     

自然形高空气球上升过程形状预测

为研究高空气球在上升过程中的形状变化以及蒙皮应力分布情况，并给气球的结构设计以及强度设计提供一定依据，本文建立了气球上升过程中的热力学模型，同时基于高空气球蒙皮材料具有非线性、黏弹性、各向异性和不能抗压等特点，通过简化气球几何模型，采用最小势能法预测自然形高空气球上升过程中的形状，并分析了气球上升过程中的应力分布情况，气球的应力极值出现在气球顶部和底部，而经向应力的数量级远大于纬向应力；还对比了不同充气量下、不同时刻下气球形状及应力分布情况，为气球设计及工程应用提供了有效计算 方法。     

临近空间飞艇保形升空过程热运动特性研究

为了掌握双气囊临近空间飞艇升空过程中因保形需要而导致的复杂的热运动特性，文章建立了飞艇升空过程中的热平衡模型与运动模型，对某双气囊飞艇的保形升空过程进行仿真研究，获得了临近空间飞艇升空过程中轨迹与温度的变化规律。结果表明：临近空间飞艇保形升空时，升空速度呈现先降低后升高的变化趋势；受升空过程中氦气囊膨胀对外做功的影响，内部气体“过冷”现象明显，“过冷”最高可达20K；当飞艇升至驻空高度附近时，内部气体温度快速上升；受净浮力影响，飞艇的升空时间与充气质量呈反比；受夏至日太阳辐射投影面积的影响，飞艇升空过程中俯仰角越大，虽然阻力系数减小，但辐射得热降低，造成整体升空时间增加；气囊超压设置越大，飞艇升空时间越长。研究成果对临近空间飞艇的升空与运行控制具有一定的指导作用。     

临近空间太阳电池组件热力学特性仿真分析

临近空间飞行器依靠搭载的柔性太阳电池组件和储能电池组构成的能源系统,可在临近空间长期飞行和驻留,完成地面观测、无线通信、军事侦察等任务,因而成为各国航天航空领域发展的热点之一。由于太阳电池组件能量转化效率只有20%左右,大部分太阳光能量吸收后转化为热。这部分热传导到高空气球内部,将造成内部气流紊乱,增加高空气球姿态控制难度,而温度升高引起的热应力甚至可能破坏柔性太阳电池组件。本文通过计算机模拟太阳组件在高空气球蒙皮上的工作条件,建立组件结构模型及热传递数学模型,仿真得到电池组件实际工作时的温度场和应力场分布情况,对高空气球供电组件的结构优化、工作状态的掌握具有指导意义。     

风场综合利用的新型平流层浮空器轨迹设计

针对平流层底部准零风层特点，提出一种基于风场综合利用进行长时区域驻空的新型平流层浮空器，系统采用南瓜形超压气球体制，建立系统的浮重模型、推阻模型和能源模型，利用迭代算法完成了总体方案设计。在此基础上，建立动力学模型和高度调控模型，针对我国某地风场模型，设计东西、南北方向独立控制区域驻留策略以及基于风场综合利用的协同控制区域驻留策略，通过SIMULINK模块开展区域驻留仿真，并对五种控制模式下的飞行轨迹进行对比分析。     

NASA高空气球的研究及其进展

高空气球是一种可以实现平流层飞行的无动力浮空器。文章重点从气球的结构、蒙皮材料、热特性研究及试飞试验等方面介绍了NASA高空气球的研究及其进展,为中国高空气球的研究发展提供参考。     

介质载荷对输送管路振动响应的影响

航天器推进剂的输送管路在飞行过程中承受了低温、内压及振动等复合载荷的作用,因此对管路的结构疲劳及振动特性的分析研究是航天器研制阶段的重点之一。为了研究多种介质载荷综合施加的影响,文章分析了无介质载荷、内压载荷、低温-内压-附加质量综合介质载荷等3种条件下输送管路结构的振动响应特性,获得了3种介质载荷对薄壁轻质管路的影响规律,便于指导开展以后的航天器输送管路地面验证试验。     

充气式再入减速器动态气动载荷与结构特性研究

针对充气式再入减速器在动态飞行环境下的结构特性变化问题，提出一种基于飞行轨迹参数的CFD动态边界条件加载方法，有效实现了飞行动力学与空气动力学之间的耦合。同时，建立考虑内充压气体热效应的流固耦合模型，较已有方法更全面地考虑了结构变形对流场的影响以及内充压气体状态参数的改变，突破了现有研究中未能完整考虑温度对结构特性影响的局限。利用此模型着重对比了再入过程中气动力与气动热对结构应力及一阶固频的影响，并研究了尺寸变化对结构特性的影响规律。研究发现单独考虑气动力与气动热作用时，结构最大应力分别升高至39.6 MPa与33.5 MPa，而适当减小半锥角和增多气囊数目有利于减小结构应力。本文研究为充气式再入减速器的强度校核及优化设计提供了有价值的参考。     

平流层飞艇热力学模型和上升过程仿真分析

建立了平流层飞艇的热力学控制模型,并采用该模型对飞艇的上升过程进行了仿真分析。分析表明,飞艇上升过程中的热力学和动态传热过程对飞艇的浮力和飞行控制有重要影响;飞艇上升过程中,为保持艇内外压差,需维持较大的空气出流量,艇内气体随外界压力降低膨胀做功,飞艇会处于较大的超冷状态,飞艇与外界大气的对流换热和日照条件下吸收太阳热辐射能量,可减轻飞艇的超冷状态;飞艇上升速率越快,艇内外气体温差越大,飞艇超冷状态越严重,净静升力降低越大。     

化学非平衡效应对返回舱再入气动力特性的影响

高空高马赫数条件下,化学非平衡效应将对飞行器气动特性产生影响,影响飞行器气动布局优化和飞行弹道设计。文章通过三维化学非平衡流动求解程序,针对再入返回器开展数值研究与机理分析,通过对比完全气体模型和化学非平衡气体模型获得的气动力参数,揭示化学非平衡效应对流场结构和气动力特性的影响和规律。结果表明,对Apollo的气动力计算结果验证了模型和计算方法;化学非平衡效应影响下,激波层内化学反应消耗大量能量,致使激波脱体距离减小,气体压缩性增强;典型状态高度为70 km,Ma=30条件下,化学非平衡效应导致返回器升力系数增大约6%、阻力系数增大约1.3%～3.3%、升阻比增大3%左右、俯仰力矩系数增大,从而使配平攻角减小约2.5＆#176;;通过机理分析,发现化学非平衡效应影响下表面压力系数发生变化的原因是飞行器周围激波形状及驻点压力改变,表现为气体沿流线经激波层、压缩区和膨胀区的历程变化;对于钝体形状的返回器,迎风面前体压力系数增加和后体压力系数降低,造成轴向力和法向力系数增大。     

非均布瞬态内压作用下星孔药柱应力分析

固体发动机大长径比药柱点火过程中内孔表面受到燃气压力作用,内压载荷迅速上升,并沿轴向分布很不均匀,为典型的瞬态非均布载荷。文中建立了内压载荷关于时间变化和位移分布的数学模型及瞬态非均布内压载荷下药柱结构应力的分析方法,并建立了三维贴壁浇注星型内孔药柱模型,用有限元法计算出非均布压力下的药柱应力-应变分布及变化过程。计算结果表明,载荷的非均布特性及瞬态特性对药柱应力-应变过程影响很大。升压梯度越大,对药柱结构完整性破坏越大。     

水下弹射筒口气泡及载荷特性数值研究

水下弹射是水下运载器发射的重要方式,弹射工质气体形成的筒口气泡对相邻设备安全有着重要影响。为明确国内外广泛关注的一筒多弹水下弹射筒口气泡演变过程及载荷特性,利用雷诺平均的计算流体力学方法和嵌套动网格技术,建立水下弹射两相流动非定常数值计算模型,并经实验测量数据校验后,对一筒三弹水下弹射流动和载荷状态进行数值研究。研究结果表明:水下弹射工质气体在弹体离筒瞬间产生显著的瞬态冲击,此后弹射工质气体形成筒口气泡经历膨胀发展、界面缩聚断裂、筒口滞留气泡受压收缩等状态,并伴随膨胀收缩过程对周围设备产生交变载荷冲击,载荷变化幅值超过弹体离筒时的筒内外压差值。在一筒三弹发射号位相邻水密膜位置,最小压强可降至环境压强的0.7倍,最大压强可升高至环境压强的1.5倍,是设备抗冲抗震设计需要关注的重要内容。     

化学非平衡效应对返回舱气动特性的影响分析

航天器返回舱再入过程中,高马赫数造成激波层内气体温度急剧升高,由此导致的化学非平衡效应对返回舱气动特性将产生显著影响。而飞行高度和速度的变化影响着化学非平衡过程,进而改变对飞行器气动特性的影响程度。文章通过求解三维Navier-Stokes流体动力学方程,利用耦合化学反应动力学模型对返回舱再入开展数值研究与机理分析,获得量热完全气体模型和化学非平衡气体模型的气动力预测值,分析飞行条件变化时化学非平衡效应对气动特性的影响规律。根据Apollo返回舱的AS-202飞行试验数据验证了计算模型与数值方法。对返回舱的模拟结果表明,高度不变、马赫数增大时,完全气体模型的气动特性预测值不变,化学非平衡效应影响下的轴向力系数、法向力系数和俯仰力矩系数与完全气体预测值的偏差均增大,化学非平衡效应增强;马赫数不变、高度增大时,化学非平衡效应造成的气动力预测值偏差也增大,配平攻角差值略有增加,化学非平衡效应同样增强。机理分析发现,飞行条件变化所造成的化学非平衡流场和压力分布变化是影响气动力变化的主要原因。     

点火建压过程对药柱结构完整性影响试验研究

针对发动机点火建压过程中药柱损伤的问题,建立了一种用于模拟发动机点火瞬态的快速充压系统。该系统通过并联多个快速电磁阀实现气体通道的瞬间打开,选用节流控制阀实现建压时间的调节,在较短时间内使得高压气源与试验发动机气压平衡,实现对发动机点火建压过程的模拟。针对某发动机进行了不同充压速度的试验,获得了对应充气速度下的试验数据和药柱CT照片。结果表明,在试验发动机自由容积和节流孔径不变的情况下,系统建压时间与目标压强无关;建压后压强曲线存在震荡段、平衡段、下降段;系统建压过程中,气流的温度会迅速上升,最高实测温度为205℃;不同充压速度会引起不同程度的药柱损伤。该快速充压试验系统及方法对于药柱损伤评价、固体火箭发动机故障分析和药柱结构完整性研究具有重要意义。     

可重复使用运载器级间分离过程研究

级间分离过程中，可重复使用运载器受到非定常扰动，可能会造成分离失败。为研究级间分离过程中可重复使用运载器运动特性及周围流场分布随分离高度的变化情况，建立航天器和运载器的运动方程，使用动网格技术和有限体积法求解N-S方程。研究结果表明：随着级间分离高度的升高，气动力不断减小，非定常扰动对分离产生的影响越来越小；分离过程中，航天器和运载器的平动速度差较小，角速度差越来越小，最大差值从30 km高空的0.427 rad/s减小到50 km 高空的0.1 rad/s，二者之间的最小距离变大，更有利于安全分离。     

火箭靶弹零升阻力系数辨识

火箭靶弹无控飞行过程中飞行攻角较小且无法准确模拟,为提高靶弹弹道理论预估精度,弹道理论计算可假定飞行攻角为零,将飞行攻角产生的诱导阻力贡献折算为对零升阻力系数的修正。建立了火箭靶弹气动特性工程计算方法,针对火箭靶弹零升阻力系数计算模型不确定性问题,利用火箭靶弹A飞行试验GPS遥测数据对其零升阻力系数进行了参数辨识,基于辨识结果对火箭靶弹零升阻力系数工程计算方法进行了修正。经火箭靶弹B飞行试验结果验证,由于综合考虑了飞行攻角产生的诱导阻力贡献,采用修正后的零升阻力系数,弹道理论预估精度大大提高,满足工程要求。     

平流层飞行器技术的最新发展

近年来,随着现代科学技术的进步,平流层空间独特的资源优势已成为各国关注的热点。目前,可运行于、平流层高空气球、平流层半可控浮空器、太阳能平流层飞机、高空长航时无人机等。平流层飞行器具有驻空时间长、可重复使用等特点,在区域防灾减灾、环境监测、城市安全监控、高分辨率实时区域监视、区域通信等方面具有重要的用途,引起了各国的高度重视,有望在近些年内研制成功并投入实用。文章对平流层飞行器的主要项目进行了介绍,给出了各自的特点和优势。文章分析了不同平流层飞行器的优势和劣势,并对各自的应用前景进行了展望。     

可膨胀再入防热锥的技术进展

长期以来返回式飞行器为承受再入气动载荷和着陆冲击 ,采用具有防热层的刚性飞行器壳体 ,导致返回舱的质量和外形大于有效载荷的数倍。柔性可膨胀再入防热锥可解决上述不足之处 ,这种锥形返回舱在返回前进行充气改变其气动特性 ,使在返回过程中达到所需的气动参数和最终着陆速度。可膨胀再入防热锥技术能使有效载荷舱获得广泛用途 ,不但能使航天员、货物和昂贵的硬件安全返回地面 ,还能在载人飞行遇险时作为应急救生的有效措施 ,以及在未来火星探测中发挥积极作用。     

高空飞行环境中液体运载火箭底部热环境研究

采用数值模拟和飞行测试验证相结合的方法对液体运载火箭高空对流/辐射耦合换热问题开展系统深入研究。基于燃气多组分输运Navier-Stokes方程、热辐射方程、Realizable k-ε两方程湍流模型，建立了高空含自由流的运载火箭燃气喷流流动模型。辐射模型采用离散坐标法(DOM)，空间离散采用二阶迎风TVD格式，对多个典型飞行高度火箭底部热流进行大型并行计算，将数值结果与试验数据进行广泛对比，验证了计算模型的精度和有效性。数值研究表明，火箭底部辐射热流在刚起飞阶段达到最大值，随着飞行高度上升，辐射热流逐渐降低，火箭底部对流热流表现为先升高后降低的趋势，并在20 km高空达到峰值。本文的预测分析方法对液体运载火箭底部热防护设计具有重要的理论意义和工程应用价值。     

可膨胀再入防热锥的技术进展

长期以来返回式飞行器为承受再入气动载荷和着陆冲击，采用具有防热层的刚性飞行器壳体，导致返回舱的质量和外形大于有效载荷的数倍。柔性可膨胀再入防热锥可解决上述不足之处，这种锥形返回舱在返回前进行充气改变其气动特性，使在返回过程中达到所需的气动参数和最终着陆速度，可膨胀再入防热锥技术能使有效载荷舱获得广泛用途，不但能使航天员，货物和昂贵的硬件安全返回地面，还能在载人飞行遇险时作为应急救生的有效措施，以及在未来火星探测中发挥积极作用。