集成火星进入弹道的开伞过程动力学特性研究

针对火星探测任务设计阶段的需求,提出集成再入弹道、开伞过程仿真一体化设计方法。首先,利用质点动力学模型,计算质点弹道,进行探测器进入过程的飞行轨迹仿真,获得开伞初始状态。其次,基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法,建立开伞过程的流固耦合（FSI）动力学模型,进行典型工况开伞过程数值模拟,分析开伞动压和马赫数对降落伞充气过程的影响。数值模拟开伞过程伞衣几何外形变化和降落伞的流固耦合动力学行为,得到开伞过载变化曲线、伞衣阻力面积变化等典型特征参数。计算结果表明,降落伞开伞动力学的数值仿真方法为火星再入、减速和着陆（EDL）过程的概念设计提供了一定的参考依据。     

火星EDL过程动力学仿真平台

"进入、减速、着陆(Entry,Descent,Landing,EDL)"火星的过程是实现整个火星探测任务最为重要的阶段之一,着陆成功与否直接决定探测任务的成败。文章对火星探测器自身气动减速阶段、降落伞弹射拉直阶段、降落伞开伞充气阶段、降落伞全张满减速阶段等EDL关键过程分别建立探测器进入段六自由度动力学模型、降落伞理想拉直过程动力学模型、降落伞开伞充气过程动力学模型、物伞及弹性吊挂组合系统着陆过程动力学模型。并在此基础上研制相应的动力学仿真软件模块,将各模块按照EDL过程进行集成,实现模块间数据传递,形成火星EDL全过程动力学仿真系统。最后对"火星探路者"EDL过程进行了动力学仿真分析,校验了系统的有效性和可行性。该平台可用于火星EDL全过程动力学性能的分析与预测。     

超声速半流伞设计与分析

半流伞是一种典型的超声速减速伞,结构设计和气动特性分析是研究其工作性能的基础。文章结合某超声速减速伞设计实践,论述了超声速伞型的选择和半流伞结构设计方法。通过低速风洞试验、高速风洞试验和高速飞行投放试验,对半流伞气动特性、开伞特性及最大开伞动载进行了研究,获得了半流伞的摆角参数和阻力系数变化规律。研究结果表明,半流伞超声速段阻力系数减小是前置体尾流效应、伞形状变化及充气不稳定等综合因素造成的。火工动力开伞与倒拉法程序结合是开伞程序设计的关键。由于颤振和气动热的影响,超声速段开伞动载计算与亚声速段有明显不同。研究结果对超声速伞的稳定减速机理、结构优化设计和性能试验具有参考意义。     

降落伞收口绳载荷计算方法研究

在降落伞系统设计中,考虑到结构强度、质量和开伞过载限制等因素,需要对降落伞开伞载荷进行控制,收口设计是控制降落伞开伞载荷的有效方法。群伞系统通常采用多级收口设计以有效控制多个降落伞充气过程的同步性和开伞载荷的一致性。收口装置是降落伞的关键部件之一,其任何部分失效不仅会造成降落伞系统性能降低,并且有可能导致系统产生灾难性的故障。收口绳是收口装置的主要承力部件,由于降落伞充气展开过程十分复杂,精确计算收口绳的载荷较为困难,空投试验中也无法直接进行载荷测量。文章通过分析研究基本的理论方法,结合相关试验数据,提出了一种保守估计收口绳载荷的计算方法,并且给出了有效、实用的收口装置设计原则和建议。实际空投试验结果和数据表明:该方法是合理可行的,可以为降落伞收口环节设计提供依据和参考。     

一种两级减速再入返回系统优化设计

针对未来天体大质量取样返回需求,为了降低再入返回过程的热流密度和温度,避免降落伞被开伞时产生过大的载荷破坏,提高减速系统的工作效率,文章提出了充气锥+降落伞两级减速再入返回系统。首先,对不同取样返回方案的钝头半径进行总热流密度的优化设计;然后,获取了各方案中充气减速段驻点的热流密度、温度变化,降落伞收口、全展开开伞载荷和着陆速度;最后,根据返回舱质量与尺寸的关系,对取样质量进行估算。当返回舱的质量为6～8 t时,各方案驻点最大热流密度范围为3.35～11.4 MW/m~2,降落伞的最小收口充满载荷为77.1 kN,最小全展开充满载荷为159.9 kN。两级减速再入返回系统的样品舱质量可达3000～6000 kg。文章的研究结果,可为后续深空探测取样返回回收系统设计提供参考。     

火星EDL过程动力学建模与仿真

针对火星着陆器的进入、减速和着陆(EDL)过程的关键动力学问题,分别建立着陆器进入、降落伞拉直、充气和稳定着陆等各阶段的较精细的动力学模型,并构建初步的多学科集成分析框架。基于着陆器六自由度刚体模型,仿真研究火星进入弹道的动力学特性;采用过载上升段自适应控制开伞策略,确定降落伞的开伞条件;利用降落伞拉直充气经验模型以及九自由度物-伞多体系统模型,研究降落伞减速过程的动力学特性;采用面向对象设计语言,建立EDL多学科集成仿真框架,从而实现火星着陆器从进入点至着陆点EDL全过程的参数化建模。本文所建模型可有效预测火星EDL过程的运动特性,也可指导深空探测中EDL系统的分析设计。     

冲压式翼伞滑布控制开伞技术研究

为了研究滑布收口控制对冲压式翼伞开伞动载的影响,文章应用结构化任意拉格朗日-欧拉（StructuredArbitrary Lagrange-Euler,S-ALE）方法对翼伞系统在无滑布收口控制和有滑布收口控制两种情况下进行了开伞过程的流固耦合仿真计算,分析了滑布收口对翼伞开伞过程的影响。结果表明：滑布收口控制可以有效降低冲压式翼伞的充气速度、伞衣应力和开伞动载,开伞动载可以降低33%。但有滑布收口控制时,翼伞的气室饱满程度有所下降,边缘气室饱满程度的下降更明显;由于滑布在开伞过程中对翼伞前后缘伞绳受力的影响有差别,使得某些伞绳出现松弛现象,这会对冲压式翼伞俯仰稳定性有一定影响。通过研究滑布收口控制对冲压式翼伞开伞动载的影响,可以为冲压式翼伞收口技术的设计与应用提供参考。     

“天问”一号火星探测器降落伞研制回顾

正2021年5月15日,我国第一个火星探测器"天问"一号终于踏上了着陆火星的征程,01时许,"天问"一号由停泊轨道转入火星进入轨道。3h后,环绕器与着陆巡视器分离,着陆巡视器独自奔赴火星。又3h后,着陆巡视器进入火星大气,开始气动减速。4min后,火星降落伞弹出,充气展开,开始伞系减速,又4min后,降落伞完成减速使命,与着陆平台分离,着陆平台进入动力减速阶段。1min后,着陆平台平稳着陆在火星表面。作为气动减速的主要装置,降落伞不辱使命,表现完美。"天问" 一号所用的降落伞由北京空间机电研究所研制。     

利用过载开关和程序控制器的航天器减速着陆系统开伞控制方法

开伞控制方法是减速着陆系统设计中的一个关键环节,它直接关系到减速着陆系统工作的成败。针对目前采用过载开关和时间控制器相结合的开伞控制方法工作模式单一的问题,提出一种利用过载开关和程序控制器的开伞控制方法,能够有效识别过载开关的不同故障模式,可靠地为回收系统提供开伞信号。文章给出了过载开关调试接通值、返回舱轴向过载系数等相关参数的计算方法,分析了轴向过载系数、开伞高度、附加过载等误差影响因素。某返回舱飞行试验结果表明:过载开关工作模式判断正确,开伞高度控制精度满足要求,开伞控制方法安全、可靠,具有一定的实用价值。     

盘–缝–带伞超声速充气过程仿真研究

随着火星探测着陆研究的发展,对其主要的减速方式——盘–缝–带伞应用的研究也日趋火热。而在火星探测中,对伞衣充气过程的分析又是最为复杂的难题之一。文章介绍了常用于降落伞流场求解的数值模拟方法,并对它们的利弊做了简要的描述。文章使用守恒元/解元方法对盘–缝–带伞在超声速条件下,从收束状态开始的充气过程进行了数值模拟。首先对前置体进行单独仿真,之后在不同的马赫数下通过对降落伞系统的整体仿真完成对降落伞开伞过程的模拟。仿真数据与实验数据进行对比,获得了较为一致的结果,验证了方法的可行性。另外,文章对两种工作状态下的充气过程进行了对比,分析了盘–缝–带伞在两者中充气过程的异同,以及前置体阻力贡献随着马赫数的变化。最后通过开伞云图对充气过程中的开伞失败现象进行了分析。研究结果可为火星探测提供参考。     

伞包拉出过程仿真及载荷影响分析

航天器回收着陆过程中依靠减速伞将主降落伞伞包从伞舱中拉出是主降落伞顺利工作的第一步,也是航天器能否安全着陆至关重要的一步。释放减速伞后是通过作用在减速伞伞带及主降落伞伞包拖带上的拉力将主降落伞伞包从主伞舱中拉出的,在释放减速伞拉主降落伞伞包过程中将产生一个很大的载荷作用在减速伞伞带及主降落伞伞包拖带上。文章基于牛顿力学,通过建立释放减速伞后拉主降落伞伞包过程的动力学模型,计算出释放减速伞拉主降落伞伞包过程减速伞伞绳、吊带及主伞包拖带的拉力随时间的变化情况。通过仿真结果分析及与高塔投放试验结果比对,证明了仿真模型的符合性,并在此基础上研究了减速伞自由行程、释放减速伞时下落速度、伞带长度、伞带断裂强力、主伞包质量、减速伞尺寸等因素对伞带载荷的影响程度,根据影响分析结果得出可以通过减小减速伞自由行程、减小释放减速伞时速度、增加伞绳长度、减小伞带总断裂强力、减小主伞包质量、减小主伞包尺寸等设计方法来减小伞带载荷。文章的仿真结果可以为降落伞设计提供参考。     

索式火箭回收着陆系统缓冲装置设计与分析

针对索式火箭回收着陆系统中摩擦缓冲装置的缓冲能力和调节能力有限的问题,提出了一种基于最小二乘法和系统动力学特性的液压缓冲装置反问题设计方法。该方法通过对液压缓冲装置中控制阀凸轮外形和储能器初始压强的设计来调节着陆火箭运动学特性,使火箭按照特定的运动学特性在有限的缓冲位移内减速至静止稳定且缓冲加速度最小。对索式火箭回收着陆系统建立精准高效的多体动力学模型,并针对不同的工况进行仿真校验。仿真结果表明根据所提反问题设计方法设计的索式火箭回收着陆系统能够按照特定的运动学特性减速缓冲着陆火箭,具有较强的减速缓冲能力；针对不同质量和着陆位置偏差的着陆火箭,具有自动调整液压阻力保持火箭相同的运动学特性的能力。     

火星着陆关键环节多学科交叉设计与验证

针对火星着陆任务在飞行环境、地面验证、系统间关联性等方面面临的技术挑战,根据火星着陆关键环节涉及的气动减速、降落伞减速、动力下降和着陆缓冲四个主要阶段,分别分析了大气进入方式、进入初始条件、气动外形、防热、开伞控制、大底弹射、背罩规避机动与触火关机等关键要素,并介绍了天问一号与其他典型火星着陆任务开展的多学科交叉设计过...     

天问一号探测器高动态着陆惯导系统设计与试验

考虑到火星探测任务着陆过程动态变化大,稀薄大气环境下开伞会对探测器产生剧烈晃动,为此天问一号探测器研制了一套高动态着陆惯导系统,从硬件产品、使用时序到导航算法方面均进行了针对性设计,以适应着陆过程中的高动态环境.此外,为验证天问一号探测器高动态着陆惯导系统的性能,设计了模拟火星开伞工况的火箭弹高空开伞试验,结果表明该高...     

航天返回与遥感2005年中文总目次

再入与返回技术年-期-页空间站充气式下载系统的概念研究2005-01-05卫星多体回收技术综述2005-01-10降落伞伞包载荷分析计算2005-01-14翼伞精确定点着陆归航方法研究2005-01-18航天器回收降落伞系统设计程序介绍2005-01-24引导伞减速伞开伞过程建模2005-01-27前缘切口对冲压式翼伞的气动力影响2005-01-36PE绳的特性及物理性能测试2005-01-58降落伞缝合部强度分析及几种常见疵病对强度的影响2005-01-61降落伞充气过程中尾流再附动力学分析2005-02-01风场对舱-伞系统着陆姿态影响的仿真研究2005-02-06返回舱和着陆系统设计的新理念2005-03-01…     

不同动压下双引导减速伞拉直过程的数值仿真

减速伞拉直过程是返回舱回收着陆工作的重要一环。单、双引导伞均可以拉直减速伞,两者结构不同,拉直效果也不同。双引导伞是在单引导结构基础上的一种深化,虽然结构相对复杂,但是可以在不同动压下拉直减速伞,比单引导伞更加安全可靠。文章对此进行了分析和研究。首先基于弹簧质量阻尼原理,建立了双引导减速伞拉直过程的动力学分析模型,对其从低到高多种动压下的拉直过程进行了数值仿真计算。然后选择低动压和高动压中两种情况的拉直过程进行分析,研究了双引导减速伞的工作原理,并与相同条件下单引导减速伞的拉直过程进行了对比。最后,从拉直时间和引导伞拉力两方面研究了不同动压对单、双引导下减速伞拉直过程的影响。结果表明:双引导减速伞可以适应不同动压,能够安全拉出减速伞;与单引导结构相比,双引导结构在低动压下拉力大,拉出时间短,高动压时拉力小,伞绳不易损坏,更加安全。该结论对回收着陆过程中减速伞结构的选择和设计具有重要的参考价值。     

运载器着陆装置展开动力学及影响因素分析

以垂直起降重复使用运载器收放、锁定、缓冲一体化着陆装置及其气压驱动控制系统为研究对象,首先分析了着陆装置展开机构的运动奇异性,在此基础上,建立了展开机构动力学模型与气压驱动系统集中参数模型,将两模型相耦合从而构建了展开系统协同仿真分析模型,随后重点研究了运载器主体自旋角速度、垂向返回速度、减压阀调节压力以及支柱摩擦力对展开性能的影响。研究结果表明:运载器自旋角速度越大,产生的离心力越高,将导致支柱展开时间及各腔压力峰值减小;垂向着陆速度越高,引起的支柱气动阻力越大,将会大幅延长展开时间;减压阀调节压力的增加将缩短展开时间,但会引起各腔峰值压力上升;支柱摩擦力的增加将增大展开时间,但会减小锁定到位时间。     

国外新一代载人飞船减速着陆技术研究

新一代的载人飞船向着多功能化、多任务目标适应性的方向发展,可重复使用性和精确着陆的要求逐步提高。文章介绍了美国多用途乘员飞行器(MPCV)、乘员航天运输-100飞船(CST-100)、龙(Dragon)飞船,以及俄罗斯新型载人航天运输系统(PPTS)等典型的新一代载人飞船的减速着陆技术;主要研究了降落伞系统、减速着陆工作程序及着陆缓冲系统;分析了在气动减速和着陆缓冲方面采用的群伞技术、着陆缓冲技术、精确着陆控制技术;提出我国在新一代载人飞船研制时应大力开展群伞系统、大载重着陆缓冲系统的研制,并进行减速与着陆缓冲系统地面试验和空投试验技术的研究。     

垂直回收火箭可伸缩着陆腿展开的动力学仿真分析

可伸缩着陆腿是实现运载火箭垂直回收的有效途径。相比于着陆过程，火箭着陆腿展开过程涉及的动力学问题更值得特别关注。根据多体动力学方法建立可伸缩着陆腿的虚拟样机模型，针对展开过程开展仿真分析，研究了支腿结构柔性、腿节滑移摩擦力、气动罩气动力及过载等因素对展开时长和展开到位角速度两个关键展开特性指标的影响。结果表明，结构柔性对展开特性影响可忽略，过载对展开特性的影响最大，其次是气动罩气动力和腿节摩擦力。相关研究结果可为用于火箭垂直回收的可伸缩式着陆腿设计提供参考。     

收口十字形降落伞充气过程动力学建模与仿真

文章用半经验充气时间法对用于某回收器降落伞系统的收口十字形降落伞的充气过程进行了动力学建模与仿真计算,通过参照第一次某回收器飞行试验遥测数据,调整经验参数的值,对动力学模型进行修正。用修正后的动力学模型对第二次回收器飞行试验进行了仿真计算,将仿真计算结果与第二次飞行试验遥测数据的开伞动载以及运动参数进行比较,比较结果具有较好的一致性,证明了动力学模型和仿真计算程序的正确性。