大型航天器无控再入气动稳定性分析

大型航天器在轨运行寿命终止后,为避免坠落在人口稠密地区造成事故,一般通过控制其主动离轨再入,使其坠落在南太平洋航天器坟场区域。再入大气层过程中受气动作用影响剧烈,航天器气动稳定性对再入姿态及姿态保持有直接影响,从而影响到再入轨道。为分析质心位置、航天器舱外部件等对航天器气动稳定性的影响,文章利用快速气动力方法,获得了航天器在不同工况下的气动力矩特性,进而分析其气动稳定性。对于给定质心位置的航天器,随着舱外部件不断解体,从单配平点转变为多配平点。而对于不同质心位置,质心位置接近端面时仅存在单配平点,位于中部则可能出现多配平点。因此,对于需要再入的大型航天器,其质心位置及舱外部件在设计阶段就应考虑其对再入气动稳定性的影响,始终保持在单配平点工况,以降低再入过程姿态、轨道控制技术难度。     

防热大底外形对火星探测器气动特性的影响分析

采用基于等效比热比的数值模拟方法,研究球锥和球头两种类型的火星进入探测器防热大底形状。对于每种外形分析关键几何参数对探测器基本气动性能的影响,并比较两类防热大底形状气动特性的差异。与球头形状的防热大底布局相比,球锥形状的防热大底布局一般阻力更大,对流加热量也更大,气动稳定性裕度更小。研究结果表明,从气动性能的角度来讲,70°半锥角的球锥防热大底布局对于火星进入探测器的设计而言并非最优的选择,适当设计的球头防热大底布局能够具有更好的性能。     

火星探测器进入阶段稳定性分析

文章针对＂火星探路者＂,对火星探测器在进入火星大气减速过程中的运动稳定性问题进行了研究,分析了质心位置、进入条件、大气参数等因素对火星探测器运动稳定性的影响。分析结果表明,在马赫数大于1.2时,探测器处于一个比较稳定的状态。     

真实气体效应对MSL火星进入气动特性的影响研究

探测器超高速进入火星过程的高温真实气体效应对飞行稳定性和防热系统影响极大,需要在初步设计阶段对探测器的气动力热特性进行精确预测。文章构建了采用流场直角与表面非结构混合网格以及网格自适应的直接模拟蒙特卡洛方法,模拟稀薄环境高温真实气体效应的依赖于温度的多原子分子振动激发和8组份54化学反应模型。通过计算"火星探路者"外形气动力系数随攻角的变化,并与文献提供的计算结果对比,有较好的一致性,验证了该文算法的可靠性。文章模拟了"火星科学实验室"在火星大气环境70km高度、进入速度为5.85km/s下的高温真实气体效应对气动力、气动热和流场特征的影响。通过与完全气体计算结果对比,表明高温真实气体效应影响下的激波脱体距离减小,表面热流降低,轴向力系数增加、配平攻角减小、压心位置随攻角变化显著。     

火星探测器表面材料催化特性数值模拟研究

针对火星探测器高超声速进入过程中的表面材料催化作用及其对气动热环境影响这一问题，建立了变壁面温度的火星大气表面材料催化作用模型，并基于火星大气物理化学模型和求解三维热化学非平衡N-S方程的数值方法，对典型火星探测器防热大底进行了数值模拟，获得了不同催化特性下的高超声速非平衡流场和气动热数据，分析了表面材料催化特性对气动热环境影响的规律性。研究结果表明：表面催化特性对壁面附近组分分布影响很大，催化反应进程主要受O原子浓度限制；有限催化热流随催化效率增大而增大，完全催化峰值热流比催化效率为1的有限催化峰值热流高25%~64%；表面温度随催化特性的变化规律与热流变化规律类似。有限催化模型能根据表面材料的催化特性精细化预测表面热流和温度，为防热设计提供更精确合理的参考标准。     

基于器间测量的火星进入过程实时高精度导航

精确着陆于火星特定目标区域是未来火星着陆探测的关键技术。面向火星精确着陆需求,研究火星进入过程中基于器间测量的实时高精度导航方法具有重要意义。该方法利用火星已有的环绕探测器,在着陆器接近进入过程中,通过无线电链路获得量测信息,结合器上滤波算法实时估计着陆器的位置与速度状态。仿真结果显示该导航方法可有效提高进入过程中的导航精度。     

改善返回舱气动稳定特性数值计算研究

和第一宇宙速度载人再入飞行相比,以第二宇宙速度载人再入飞行对返回器的升阻比要求较高。文章给出了一种升阻比能够满足第二宇宙速度再入需求的返回器基本外形,分析了基本外形的气动性能以及质心位置对气动稳定特性的影响,结果表明基本外形在高超声速和亚声速下均存在第二静稳定配平点的问题。为了改善基本外形的气动稳定特性,文章提出了多种改进外形设计,包括增加稳定耳片、改变尾部外形设计等。通过数值模拟对这些改进外形的气动稳定性进行了分析,结果表明这些改进设计对于改善返回器的单点稳定特性是有效的。通过对流场特性的详细分析,对改进气动设计改善返回器稳定特性的机理进行了揭示和阐释。     

基于MISQP的再入航天器质量特性配平设计

为解决某再入航天器质量特性配平过程中质量、质心、惯性矩及惯性积等多个约束条件相互耦合的问题,文章建立了再入航天器配平设计优化问题的数学模型,采用基于混合整数序列二次规划(MISQP)的优化方法获得配平设计最优解,以最小的配平用量同时满足了质心位置、惯性矩和惯性积等复杂质量特性的约束,并与测试结果进行了对比,结果表明设计值与实测值基本一致。文章提出的配平设计方法可为各类航天器的配平布局优化提供借鉴。     

火星大气进入段轨迹优化与制导技术研究进展

首先根据国际上实施的火星探测任务及未来火星着陆探测的发展需求，阐述火星大气进入段轨迹优化与制导的重要性。结合火星着陆环境和探测器的气动特性等，归纳出火星大气进入段轨迹优化与制导面临的挑战。在此基础上，结合未来火星着陆任务的安全精确着陆目标，梳理火星大气进入段轨迹优化与制导所需解决的关键技术，分析目前火星进入段轨迹优化与制导技术研究进展及发展趋势。最后，对未来火星精确着陆所需的进入段轨迹优化与制导技术发展方向进行了展望。     

进入火星大气的高温真实气体效应与气动加热研究

针对火星和地球大气分子热力学和化学行为的差异性，采用理论分析和数值模拟两种手段，研究探测器进入过程高超声速流动的分子振动激发、离解反应及热力学和化学非平衡等真实气体效应，获得不同气体模型条件下的高超声速气动加热规律，探究引起地火差异的根本原因。分析认为，探测器进入火星大气层的稀薄气体效应明显；激波层内发生CO 2气体为主的大规模离解，在极高温环境下O 2和CO也将离解；沿进入轨道的高超声速流动基本处于化学非平衡但热力学平衡状态；激波层内能量储存和分配模式因分子振动激发和化学反应而改变，分子振动激发会增强气动加热量，但均介于化学反应模型的完全非催化和完全催化壁结果之间；相同来流条件下CO 2介质高超声速气动加热强于空气介质，但真实的火星进入热载荷因大气稀薄而弱于地球再入环境。相关研究为我国未来火星探测器热防护系统设计提供技术支持。     

典型再入返回器气动特性对比与改进研究

返回器气动特性研究对宇宙飞船的研制起着先导和制约作用。文章对Apollo、CEV和类Soyuz这3种典型的轴对称钝头体再入返回器气动布局进行了气动特性的对比分析,发现与Apollo、CEV相比,类Soyuz外形的升阻比偏小,无法满足以第二宇宙速度载人空间再入返回的要求。在此基础上研究了几何参数（包括倒锥角和球冠半径）变化对类Soyuz外形返回器气动性能的影响规律,从中得到类Soyuz外形的改进方向,提出了一种以类Soyuz外形为基础的改进设计外形,并对该外形的升阻特性、稳定性和配平特性等相关气动特性进行了分析。研究表明通过对几何外形参数的调整优化来提高类Soyuz外形的升阻比,从而达到以第二宇宙速度再入返回的升阻比要求,这样的技术途径是可行的。     

考虑变形影响的棱台式柔性外形气动力/热环境研究

文章首先根据机械可展开式再入/进入技术的结构形式建立了棱台式柔性外形简化模型;然后通过流-固耦合分析研究了该外形在气动力作用下的变形规律,获取其迎风面具有"下凹"的变形特征;并根据该变形特征修正了气动面模型,应用修正后的模型再分析,得出了气动力和气动热沿径向分布及气动热随时间变化的规律。研究发现:考虑变形影响的棱台式柔性外形在棱边附近处出现了气动力/热集中现象,全流域气动热环境变化趋势与刚性回转体外形基本一致。此研究结果不仅可为机械可展开式再入/进入技术的气动力/热特性研究奠定基础,还能为其他柔性外形的气动研究提供借鉴。     

烧蚀对返回舱气动特性的影响

针对烧蚀可能对返回舱带来的不利影响,开展了类联盟号返回舱烧蚀外形的气动特性数值计算与分析。结果表明：因烧蚀引起的气动外形改变后,会使配平攻角绝对值增大,配平升阻比也相应增大。该结论可为类联盟号返回舱外形的气动布局设计和改进提供参考。     

基于参数化外形的通用大气飞行器建模与分析

提出了一类翼身组合升力体外形通用大气飞行器(Common Aero Vehicle, CAV)的参数化外形建模方法,采用气动工程预估方法计算CAV的气动系数,拟合得到能用于再入飞行器制导与控制仿真的气动模型,并通过分析,得到该模型静稳定性、气动效率及气动控制特性等方面的结论。结合飞行器再入飞行的运动方程,选取平衡工作点,基于小扰动线性化模型得到系统特征根分布来分析其稳定性,发现固定姿态的滑翔飞行时系统有正半平面极点,需主动控制调节;为了分析机动性,提出了以星下点轨迹曲率求取CAV转弯半径的方法,可快速获取机动性评估与参考指标,结果表明,该模型具有较好的转弯机动能力。     

典型采样返回探测器的进入减速着陆系统分析

通过对典型的采样返回探测器（星尘号和起源号）的研究分析,总结归纳了采样返回探测器进入减速着陆系统的特点,特别是对探测器的气动外形布局、返回轨道设计、防热材料选择、降落伞系统设计等进行了分析,可以为下一步开展月球采样返回任务提供一定的参考。     

Numerical Simulation of Unsteady Flow of Reentry Capsule

As a main tool for the lunar exploration and Mars landing project, the reentry capsule is responsible for the transportation of personnel and supplies, and it is very important to ensure its safety. The complex flow field caused by the shape of the large blunt cone makes it unstable in transonic and supersonic flight, so its dynamic characteristics need to be analyzed. This paper analyzes the dynamic characteristics of the reentry capsule by computational fluid dynamics(CFD) numerical simulation. The pitching combined dynamic derivative was obtained by simulation of forced pitching oscillation of the flight vehicle using the rigid dynamic grid; the time difference derivative was obtained by simulation of plunging of the flight vehicle using the rigid dynamic grid, too. The direct dynamic derivative was gained by negating the plunging derivative from sum. This paper simulates the pitching and plunging motion of NACA0012 air foil and hypersonic ballistic shape(HBS). The results of the simulation are consistent with the references. The Mars exploration rover entry capsule was simulated and analyzed to ensure a basis for the aerodynamic design and control of the reentry capsule.     

Phugoid oscillations in optimal reentry trajectories

A major problem with operations of lifting reentry vehicle having an aft center-of-gravity location due to large engine mass at the rear is the required hypersonic trim to fight the desired trajectory. This condition is most severe for lifting maneuvers. As a first step toward analyzing this problem, this paper considers the lift requirement for some basic maneuvers in the plane of a great circle. Considerations are given to optimal lift control for achieving the maximization of either the final altitude, speed or range. For the maximum-range problem, phugoid oscillation along an optimal trajectory is less severe as compared to a glide with maximum lift-to-drag ratio. An explicit formula for the number of oscillations for an entry from orbital speed is proposed.