降落伞流固耦合问题的数值模拟和流场分析

提出了基于压力耦合的半隐式算法,即SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法和生成阶梯网格方法的对稳定下降阶段的降落伞进行数值模拟的新方法.此方法在降落伞流固耦合计算中具有较好的稳定性和较高的效率.对降落伞稳定下降阶段的流固耦合问题进行了数值模拟.降落伞模型分别采用了圆形伞和锥形伞稳定下降时的结构数据,并对锥形伞模型进行了不同来流攻角情形下的模拟.与平行有限元方法相比,采用SIMPLE算法的新方法得到了更准确和更合理的结果.此新方法可以作为传统数值模拟方法的一个可靠替代和重要补充. 　　      

降落伞伞衣载荷的性能试验

在改变伞衣面积和透气量的情况下,在定常风洞中对小型平面圆形伞的开伞过程进行了动态试验,研究了开伞过程中伞衣形状和伞衣所受载荷之间的动态关系.伞衣载荷不仅受降落伞阻力和附加质量变化率产生的力影响,同时,不稳定性及伞衣(绳)的抖动也是产生伞衣载荷的一个重要因素.稳定型伞衣充满后的载荷平均值约为最大开伞动载的60％左右,伞衣投影直径变化引起的呼吸现象也会引起载荷波动.透气量越大,降落伞稳定性越好,但降落伞的充气性能将会变差.该实验研究可为降落伞的载荷分析提供一定的依据.      

降落伞充气环境对充气性能的影响

在降落伞轴向和径向动量方程的基础上进行一些合理的简化,并结合其他经验公式基本描述了降落伞整个充气阶段的运动过程。运用简化的模型初步分析了在不同大气密度、初始开伞速度下的充气环境对降落伞充气时间、充气距离,伞绳最大拉力的影响。得到的结论对火星降落伞设计及降落伞充气试验的环境模拟有一定参考意义。     

火星盘缝带伞跨声速风洞试验研究

火星着陆器在进入减速着陆过程中降落伞是必需的气动力减速装置,然而火星大气的特殊性使得火星降落伞开伞工作时具有超声速、低密度、低动压的特点,因而火星降落伞的构型、参数选择非常关键。文章在对火星盘缝带伞进行理论分析和国际应用研究的基础上,选取四种典型结构参数的盘缝带伞型,即常规透气量和低透气量的探路者型和海盗型伞型,在中国国内首次进行了亚-跨声速风洞试验,对这四种伞型在亚-跨声速下的阻力特性和稳定性开展研究。风洞试验采用横梁式测力天平测量阻力,同时用影像设备观察伞的摆动角度。研究结果表明,盘缝带伞的跨声速段阻力系数与理论值基本相符,能够满足火星环境下的减速需要;盘缝带伞随阻力系数增加稳定性降低,设计中必须兼顾考虑。     

新型高空探测系统

研发了一种新型全自动高空探测系统,其利用GPS定位,宽波瓣天线捕捉和低噪声接收的方法替代雷达或无线电经纬仪对高空探测仪进行跟踪定位和获取信息,具有不受低仰角的限制,目标不易丢失,性能价格比高等特点,成功将GPS应用于1680 MHz遥测数据传输体制.利用该系统进行了空中大气电场的探测实验,获得了满意的探测结果.由于系统轻便、操作简单、成本较低以及良好的机动性和可靠性,在近地空间环境探测和高空大气科学探测试验及常规的气象探测中有广阔的应用前景.     

“火星探路者”舱伞系统动力学特性仿真研究

目前,国内尚未对“火星探路者”减速下降过程中由“降落伞 后锥体 着陆器”组成的舱伞三体系统的动力学特性进行过相关研究。为了全面掌握“火星探路者”减速下降过程中舱伞系统的动力学特性,采用多体动力学的方法,建立了包括降落伞拉直、充气、全张满、抛防热大底,以及着陆器与后锥体分离等过程的全过程动力学模型,并利用模型仿真研究了“火星探路者”舱伞系统的动力学特性。研究结果表明,火星探测器舱伞系统的速度和姿态稳定所需的时间比地球环境下长、高度损失更大,进入舱纵轴需要较长的时间才能趋于垂直,系统摆角的摆动幅度较大。这些是火星探测器降落伞系统进行开伞点设计和时序设计时需要特别注意的问题,其结论可为中国开展火星探测器降落伞减速系统的设计提供重要参考。     

利用七孔探针对降落伞流场的试验测量研究

采用风洞设备,利用七孔探针对无伞顶孔的平面圆形伞的绕流场进行了试验测量。采用Labview和Matlab engine混合编程技术进行七孔探针的压力数据采集和实时数据处理,获得了伞衣周围的速度及压力分布情况;并对其进行了流场分析,得到无伞顶孔平面圆形伞充满状态下的流场拓扑结构,和沿伞衣径向的压差分布情况。该方法解决了降落伞流场无法定量测量的难题,为降落伞气动性能的分析提供了很好的技术方案。     

降落伞开伞过程的多结点模型仿真

根据降落伞的结构和力学特征,在轴对称假设下创建了伞衣及回收物系统的多结点结构模型.通过考虑应力,重力和气动力的作用效果,建立了用于无气流攻角平面圆形降落伞充气模拟的多结点结构模型动力学方程组.对开伞过程中的流场变化引入准定常假设,利用simple算法数值模拟求解RNG(Renormalization Group)k-ε湍流模型下的雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程以获得选定时刻的伞衣表面压力分布.结合多结点模型动力学方程组的解算代码和计算流体力学程序,采用流固耦合的方法对选定的平面圆形降落伞模型的开伞过程进行了动态仿真,得到了开伞过程中降落伞外形和特性的变化.通过结果分析和比较,证明了多结点模型的可行性,发展出了一种用于降落伞流固耦合计算的新方法.      

降落伞 航天员的“保护伞”

航天员返回地面离不开“保护伞”。这道伞就是飞船进入大气层以后用于减速的降落伞。神舟飞船上的降落伞是世界上正在使用的降落伞中最大的一种。 如果说飞船发射时需要加速的话,那么飞船返回时则需要减速。当飞船启动返回程序,3吨重的返回舱下降到距地面15千米时,它所受到的气动阻力近似于它所受的重力,下降速度由超音速减到到亚音速,并稳定在200米/秒左右,这时再减速就要靠降落伞了。     

星载FPI探测低热层温度的研究

80～350km高度区域的大气温度与风场探测研究对于认识全球性空间动力学和日地耦合机制具有重要科学意义.法布里-珀罗干涉仪(FPI)能够通过分析接收光的干涉环反演计算出一定高度大气层的风场和温度.近年来,中国利用多种地基探测设备对中高层大气进行了观测研究,对于温度反演和星载探测技术的研究开始起步.本文基于系统传输函数和发射谱线函数的卷积,讨论了利用FPI探测高空大气温度反演计算的原理;分析了星载FPI探测的方法,根据星载FPI探测与地基探测的不同点,仿真了星载探测干涉图;结合中国观测技术现况及空间探测需要,讨论了发展星载空间环境探测仪的可行性.      

水箭的降落伞

开伞方法 固体燃料型模型火箭的发动机内有开伞剂,所以模型火箭内很容易安置降落伞,而水气增压模型火箭是无动力装置的模型火箭,安置降落伞后,伞的打开有一定难度。观察发射正常的水气增压模型火箭飞行状态,可以看到垂直上升的模型到了最     

中国地区20──80km高空风的一些特征

利用Nimbus-7卫星1979-1981年的平流层和中间层大气温度探测数据(SAMS)和热成风原理,计算了高空风场,得到中国上空20──80km高度范围风场的一些特征。结果表明,用地转一热成风公式从卫星温度探测数据计算的高空风与当日中国气象火箭探测的高空风基本一致,说明利用卫星温度数据是获得中国20-80k高空风气候特征的一种有效的方法;从计算出的风场看,中国上空20──80km的纬向风与COSPAR国际参考大气CIRA-1986的纬圈平均纬向风有显着差别,文中还给出了经向风的分布和风场的变化情况。      

半球形伞流固耦合工程算法

降落伞流固耦合模拟非常难以实现,而一些工程设计任务要求迅速高效地完成.为了适应该要求,针对稳定下降阶段的半球形伞,提出了一种流固耦合工程算法.以轴对称伞形为伞衣初始形状,通过流场模拟得到结构模拟所需的伞衣压力系数分布,通过结构模拟得到新的伞衣外形,如此循环,直到伞衣中幅线和伞绳外形趋于稳定为止.结果表明,伞衣外形能迅速收敛,该方法能满足工程设计要求.     

降落伞拉直过程的多刚体模型

采用多刚体模型研究了降落伞的拉直过程。在动力学模型中将引导伞、伞包、拉出的伞绳及回收物处理为开链式多刚体;在仿真算法中提出了求解绳段间约束力的n阶递推算法。利用该模型可以研究降落伞拉直过程中的“绳帆”现象。     

冷锋期间武汉MST雷达低平流层回波异常现象

武汉MST雷达是中国子午工程建设的两台中高层大气无线电探测雷达之一.该雷达探测频率在VHF频段，雷达回波在低平流层和对流层上部具有角谱特性，可为研究大气动态稳定性提供有效技术手段.本文利用武汉MST雷达2016年4月17日冷锋活动期间及平静天气的角谱实验数据，从雷达回波特性变化、风场空间分布、湍流生成机制以及内重力波影响四个方面分析并解释了MST雷达对流层顶上部区域出现持续异常强回波带的成因.分析结果表明，对流层冷锋的强对流作用诱发内重力波，内重力波向上传播至低平流层后受增强的剪切急流影响发生耗散甚至破碎，激励了长时间跨度的K-H不稳定性，进而导致水平反射层结构发生扰动生成湍流，使得雷达回波结构发生变化.      

NASA总结MAVEN在轨4年的重要科学发现

正2018年9月22日,NASA火星大气与挥发物演化(MAVEN)任务迎来在轨4周年纪念日。该任务旨在探测火星高层大气、电离层及其与太阳和太阳风的相互作用。MAVEN于2013年11月18日发射,2014年9月21日进入火星轨道。2015年11月完成主要科学任务后,MAVEN进入任务延长期,继续探测火星高层大气并在中继轨道寻找新的科学机遇。NASA总结了MAVEN在轨期间取得的重要科学发现,具体如下。(1)证实火星大气逃逸是造成火星气候变化的     

GNSS遥感探测卫星星座设计

随着全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）掩星大气探测技术的兴起,GNSS遥感探测数据在气象数据资源中逐步占据重要地位,但是目前的掩星探测数量远不能满足数值天气预报等应用的需求,未来更需要充分利用GNSS信号资源,开展更大规模的GNSS掩星卫星星座探测.本文以世界气象组织发布的大气海洋数据需求为参考,提出新一代GNSS遥感探测星座任务需求与设计约束.在理想大气模型假设下,利用几何解析方法研究了探测卫星星座构型参数对探测性能的影响,并建立了新一代GNSS遥感探测卫星星座设计基本准则.以风云卫星为子星座,给出了星座规模同为40颗的三种GNSS遥感探测微纳卫星星座设计方案.研究结果表明,具备该规模的探测星座可满足数值天气预报等气象应用的最低数据需求,三种构型方案中,由高、中、低倾角三组Walker子星座与风云卫星子星座组建的GNSS遥感探测星座探测性能最优.      

青岛上空中层大气密度和温度的激光雷达探测

介绍了中国电波传播研究所瑞利散射激光雷达系统的结构和性能, 阐述了激光雷达探测中层大气密度和温度的工作原理, 给出了青岛地区中层大气密度和温度的初步探测结果. 通过与卫星、探空气球和大气模式数据的结果对比, 验证了激光雷达探测大气温度的可靠性. 基于2008-2009两年的观测, 获得了青岛地区上空中层大气温度的季节变化和平均分布. 激光雷达观测结果表明, 青岛地区平流层温度比CIRA86模式结果高, 且二者偏差呈夏秋季小、冬春季大的特点, 中间层温度则正好相反.      

大气紊流下飞艇动力学建模与姿态控制

大气紊流是影响高空飞艇水平面内运动的重要原因,紊流扰动对飞艇的安全性能和定点悬停有严重影响,能否克服扰动,直接决定飞艇的载荷能力和续航时间.根据高空大气紊流的特点以及紊流风速对飞艇姿态调整的影响建立风场的传递函数模型,根据风速三角形关系建立扰动下的飞艇水平面内动力学模型,利用内模控制原理设计出内模控制器,将扰动信号反馈到系统的输入端,从而对扰动进行直接控制.仿真结果表明所设计的控制器可以有效抑制大气紊流对飞艇飞行性能的影响.     

气动力对伞稳定下降阶段摆动的影响

为分析伞系统在稳定下降阶段运动稳定性,建立了5自由度的物伞模型,通过仿真发现具有不同气动力形式的物伞系统,其摆动情况有明显差异,并着重分析了气动力参数对物伞系统的摆动角度、频率的影响。