轻小型再入飞行器发展研究

为实现深空探测无人取样返回任务,目前国外普遍采用轻小型化返回飞行器,并已取得较大成功。文章概述了星尘号、起源号和隼鸟号3个典型深空高速再入返回器的情况及技术特点,在此基础上分析了我国开展轻小型再入返回器研究的技术需求及发展建议,指出需要在高速再入返回气动技术、轻小型高速再入返回热防护技术、超声速降落伞回收技术、轻小型机构与综合电子技术等方面进行突破。     

再入飞行器关键技术发展与展望

<正>再入飞行器返回地球大气层或者进入其他有大气天体的过程中,面临着极其严酷和复杂的力热载荷环境条件,为了保证再入飞行器能够安全可靠、准确到达预定位置,需要一系列关键技术的支撑,主要包括:先进气动布局设计与气动特性精确预示技术、再入动力学建模与分析技术、多约束轨迹规划与制导控制技术、高精准度的气动热环境预示技术、热防护系统设计及试验技术等。     

载人登月返回再入有关问题初步研究

载人登月返回再入涉及到三体问题,且与近地轨道返回再入相比速度更大.因此再入方式的选择和再入弹道的设计涉及到飞行器的方案和再入返回的安全.通过对不同返回再入方式的对比分析,认为跳跃式再入是优选方案.再入点选择、再入过载、升阻比、再入航程、再入轨道倾角都是返回再入方案设计中需要考虑的问题,需结合工程实际进行深化论证,文章提...     

再入返回器极端热载荷预测方法

为快速预测返回过程再入器的极端气动热载荷情况,文章以充气式再入器为研究对象,基于动力学运动方程及Kemp-riddell气动热工程公式,采用龙格-库塔方法开展了136组工况的返回过程数值计算,获得了充气式再入系统返回过程的轨迹弹道与驻点热流密度变化情况,研究了驻点热流密度峰值和峰值出现高度与弹道系数、球头半径及再入角度的关系,发现驻点热流密度随弹道系数、再入角度的增加而增加、与球头半径的二次方成反比;但极端热载荷出现高度随弹道系数增加而降低,与球头半径和再入角度无关。文章提出了航天器以第一宇宙速度返回再入时极端热载荷的工程经验公式,采用公式对飞船返回舱、返回式卫星的极端热载荷进行预测,所得结果和试验数据基本一致,表明该预测公式具有较高的准确性和较好的通用性。文章的预测方法适用于再入返回器的设计初期阶段,可快速预测返回器再入过程的极端气动热载荷,满足气动热估算需求,为再入器气动热防护方案的选择提供支持与参考。     

机动再入飞行器主动段再入点约束闭路制导研究

基于机动再入飞行器再入制导段控制条件荷刻和难度大，必须为飞行器创造最佳的再入条件。本文对具有再入点约束的主支段闭路制导律进行了研究。根据飞行器椭圆弹道的性质、飞行器再入条件、球面几何和不动点原理给出了理想弹道的计算算法。为使飞行器能在主动段很快地进入到理想弹道上，系统采用了非线性的推力向量控制及预测制导方法。通过对新型号再入飞行器的制导系统的设计与仿真，表明该制导系统使飞行器全程飞行有很好的飞行性能。     

基于UKF的再入弹道高精度估计方法研究

飞行器在再入段的弹道可用较为精确的动力学模型描述,在地心直角坐标系下建立飞行器再入段的动力学模型,利用UKF对弹道式再入目标的弹道进行估计,并与三站几何解析法的解算结果进行对比,仿真结果表明,基于动力学模型的UKF可以有效地提高再入目标弹道的估计精度.     

类Clipper再入返回飞行器气动特性分析

针对类Clipper再入返回飞行器的气动特性,采用近似反设计的方法,在飞行器外包络等约束条件下,通过形状控制函数,计算出类Clipper飞船的气动外形。基于计算流体动力学(CFD)数值模拟方法,研究分析类Clipper再入返回飞行器在不同高度、不同马赫数和不同攻角下的全空域/速域气动特性变化规律,并结合不同飞行状态下的压心位置探讨飞行器的稳定性。结果表明:类Clipper再入返回飞行器在不同飞行状态下能够具有良好的气动特性,最大升阻比可达1.1以上,属于中等升阻比再入,总体呈现出良好的静稳定性,可在未来作为具有可重复使用再入返回飞行器的方案之一。     

基于雷达跟踪仿真的滑翔式再入弹道突防性能分析

从防御雷达对再入弹道跟踪效果的角度,对滑翔式再入飞行器的突防性能进行了初步分析。基于Unscented卡尔曼滤波和考虑气动模型的目标跟踪模型,加入雷达测量噪声,计算目标跟踪误差,比较弹道式与滑翔式再入弹道的跟踪效果。仿真结果表明：(1) 滑翔式再入弹道有横向机动且飞行高度较低,雷达的发现时间较晚,可观测时间比较短;(2) 由于雷达的跟踪动力学模型中很难对气动力准确建模,滑翔式弹道借助气动力产生机动,雷达对其跟踪的误差要大于弹道式再入弹道; (3) 在相近的雷达观测条件下,弹道机动性越强,雷达跟踪精度越差;(4) 尽量使防御方所假设的目标动力学模型失配是增加突防能力的有效措施。     

航天器跳跃式返回的再入动力学特性仿真

深空高速再入返回是航天返回技术面临的新问题。研究采用跳跃式返回方式解决高速再入产生的高过载、高热流峰值问题。建立了完整的航天器再入大气层飞行动力学模型;依据航天器跳跃式返回飞行剖面和返回飞行的运动特性,将再入大气过程划分为初始再入段、初次再入下降段、初次再入上升段、大气层外飞行段和二次再入段,详细研究了各飞行段航天器的动力学特性,简要分析了各阶段的制导任务。通过分析仿真结果,初步摸清了航天器深空飞行跳跃式再入动力学特性。     

Chapman理论在再入走廊计算中的应用

再入走廊给出了飞行器满足任务要求、并安全返回地球的再入飞行范围,它是再入轨道优化、再入方案设计、再入飞行任务规划等的重要部分。文章通过再入动力学建模,引入Chapman假设,进行了航天器从外层空间返回的再入走廊的研究,分析了影响再入走廊边界的重要因素,并以航天飞机为例计算了再入走廊,验证了该分析方法的正确性。     

变均方根随机振动?变加速度离心复合试验

为在地面试验中更真实地模拟再入飞行过载、振动力学环境的时变特性和复合特性,以再入飞行器子系统为对象,开展变均方根随机振动?变加速度离心复合试验研究。设定试验条件时,对预示弹道过载数据进行平滑和重采样,得到变加速度离心试验条件;对实测振动数据频谱进行归一化和频谱加权融合,得到变均方根随机振动试验条件。复合试验结果表明,给出的试验条件控制可行,实现了再入飞行振动历程和过载历程的同时模拟。     

类X-37B升力体再入飞行通信特性中断研究

针对再入非平衡等离子流场的数值仿真方法及等离子体鞘套对不同波段电磁波传输特性的预测开展研究。首先，利用某工程钝头体飞行器再入实测通信飞行测量数据，初步校验数值仿真等离子体特性和通信特性方法的正确性；其次，在典型弹道下针对升力体再入飞行器开展等离子体鞘套数值仿真，分别给出S波段、Ka波段与K波段电磁波衰减特性，研究指出结合当前国内中继星体制情况采用高频段电磁波Ka波段或K波段中继通信方式是解决通信黑障的技术途径之一；最后，研究了电磁波数衰减受传播方向角和攻角的影响规律。研究结果可为发展解决我国再入飞行器通信黑障的设计方案提供参考。     

再入微波综合测量系统

本文提出的“再入微波综合测量系统”是一个在飞行器上采用一个载波调制若干种不同特点的测量信号以完成遥测、外测等多种功能的综合无线电再入测量系统。再入微波综合测量系统能完成飞行器再入时的常规信号、触地信号及特快波形的遥测任务。飞行器上的发射机实现FM/AM双重调制,它除了完成规定的遥测任务外,能同时用于再入段,特别是10km高度以下的外弹道参数测量。为了确保工作可靠,不论是再入遥测或外测,地面站都不采用跟踪。再入微波综合测量系统的提出,使再入遥测的研究进入了一个新阶段。本文提出的基本原理和方法,可望在再入测量以外的其它某些测控领域中获得应用。     

单台光学设备跟踪再入目标的外弹道计算方法

利用单台光学设备测量再入目标的俯仰角及方位角,确定再入目标的外弹道参数。根据再入目标的动力学方程及单台光学设备的测量方程得到再入目标的运动方程组,根据单台光学设备测量再入目标的观测角度序列,采用最小优化方法联合求解该方程组,可以估计再入目标的气动参数及再入目标的外弹道参数。数值仿真验证显示,该方法能够比较准确估计再入目标的气动参数,同时得到再入目标的外弹道参数。     

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。     

再入飞行器试验运载火箭弹道设计研究

再入飞行器的试验运载火箭弹道设计一般考虑飞行器的再入模拟量及落地要求、火箭飞行试验的航区要求、火箭的技术状态等3个主要因素,为此开展弹道实现模式及特征速度分析,得出弹道设计中"第2次冲量"的施加技术方案。     

充气式再入柔性热防护系统热流及结构研究

建立了充气式再入返回航天器的展开模型,用工程算法对整个再入过程的外热流和温度进行了估算。根据再入过程的外热流和温度条件,参考"充气再入飞行器试验"(Inflatable Reentry Vehicle Experiment,IRVE)典型热防护材料和结构设计,建立了柔性热防护系统结构模型及传热模型,通过ANSYS有限元方法计算出柔性热防护系统各功能层再入过程中的温度响应。文章从功能层材料、功能层铺层顺序和复合功能层三方面,初步分析比较了各种方案的充气式再入柔性热防护系统的防热效果,可为充气式再入返回柔性热防护系统的设计分析提供参考。     

基于大气模型误差特性的"天宫一号"再入预报

空间环境扰动是影响再入预报精度的重要因素。利用相同空间环境情况下大气模型误差具有较大相关性的特点,提出使用时分参数的策略进行再入预报。首先基于两行根数计算弹道系数,并根据弹道系数序列判别"天宫一号"(TG-1)目标飞行器的姿态;分析TG-1持续翻滚后弹道系数随地磁指数的变化特性,确定弹道系数-空间环境对应表;再入预报过程中根据积分时刻空间环境情况选择对应的弹道系数,以降低大气模型误差的影响。在TG-1再入案例中,文章中的方法最大预报误差仅为8%,远小于传统方法预报误差,可以有效提高空间环境扰动时的再入预报精度。     

载人深空探测进入/再入走廊设计方法研究

载人航天器的进入/再入走廊刻画了进入地外天体或再入返回地球时允许的进入/再入角范围。载人深空探测进入/再入过程中,载人航天器必须满足进入/再入走廊约束,以避免经历过大的过载、热流和总加热量等力/热环境,威胁进入/再入飞行安全。文章研究载人深空探测进入/再入走廊的设计方法,通过融合载人航天器进入/再入预测校正制导,验证进入/再入走廊的可行性,并采用基于安全系数的偏差因素影响分析方法,获取进入/再入走廊的设计裕度。最后,以载人月地再入返回为例,具体阐明了再入走廊的设计方法,并通过数学仿真验证了设计方法的有效性。研究结果将为载人深空探测进入/再入走廊设计以及进入/再入返回总体设计提供技术参考。     

深空探测采样返回起旋分离动力学仿真分析研究

针对深空探测采样返回高精度起旋分离,实现返回器再入大气姿态稳定的需求。在自主研发的被动式起旋分离机构的基础上,以多刚体系统动力学理论为基础,建立返回器起旋分离ADAMS动力学仿真分析模型,开展起旋分离过程综合敏度分析、敏感参数偏差耦合分析以及覆盖性分析研究,以此评估多参数偏差对返回器初始分离姿态的影响。分析结果表明：动力回转轴偏差和返回器横向质心偏差对返回器起旋分离姿态影响最为明显;合理配置动力回转轴及返回器横向质心位置有助于改善初始分离姿态;经多参数偏差覆盖性分析,验证了起旋分离各项指标的符合性。为深空探测采样再入返回高精度、高可靠分离技术的工程实施提供理论指导。