气动加热下金属蜂窝板热响应特性数值模拟

提出一种计算非稳态气动加热下金属蜂窝板内辐射导热耦合换热数值计算方法。将金 属蜂窝夹芯板作为三层平板结构,建立沿厚度方向一维传热控制方程,采用Monte
Carlo方法求解蜂窝腔内辐射换热,有限体积法求解蜂窝板内耦合换热,考虑蜂窝金属与空 气热物性随温度变化,对某结构的正六角形蜂窝板在模拟气动加热条件下两表面温度响应进 行了数值预测,数值预测结果与文献中的实验结果对比表明该方法能够准确模拟蜂窝夹心板 内传热过程;对采用Swann & Pittman当量导热系数经验公式进行蜂窝非稳态表面温度响应 计算可靠性进行了验证,结果表明该公式在计算非稳态气动加热下蜂窝表面温度时存在较大 误差,给出的热面温度过高,冷面温度过低,两表面温差最大相对误差高达140％。     

自备动力逃逸载人飞船上升段气动特性研究

自备动力逃逸技术是载人飞船重要的发展方向之一,能提升载人飞船发射段的安全性。文章对自备动力逃逸载人飞船上升段的气动特性开展研究,利用气动数值模拟方法对上升段逃逸全过程进行仿真,完成自逃逸上升段静态气动特性分析、两舱分离气动特性研究和上升段气动加热分析。研究结果表明:返回舱与推进舱能否安全分离受分离时刻的气动干扰影响较大,配置稳定翼在低空情况下可显著改善载人飞船的静稳定性。上述研究结果可为我国新一代载人飞船逃逸系统的方案设计提供参考。     

载人飞船密封舱漏热问题研究

密封舱漏热是载人飞船热控系统设计中必须考虑的一个关键因素,是影响飞船热平衡和舱内温度的一项重要参数。建立了求解密封舱漏热的热物理模型,分析了各种参数对密封舱漏热的影响。结果表明：（1） 在一定温度范围内,密封舱漏热与舱内空气温度近似呈线性关系;（2） 返回舱漏热高于轨道舱,主要原因是导热热阻的基数偏小;（3） 漏热随外热流增大而减小,返回舱漏热波动较大,调节其热控涂层的α_S和ε_h值将导致返回舱漏热和漏热波动出现相反变化,为同时减小漏热和漏热波动,推荐采用较低α_S和ε_h 值的热控涂层;（4） 返回舱漏热受舱内壁对流换热系数影响较大,特别在2W/(m^2·K)附近。
     

超声速稳定伞气动热数值仿真研究

超声速稳定伞能有效避免飞船返回舱姿态不确定性引起的主降落伞系统开伞故障,在多用途飞船缩比返回舱的再入过程中得到了应用。相比于亚声速开伞过程,稳定伞超声速开伞时会遇到强烈的气动加热问题。文章采用流固耦合方法模拟稳定伞超声速时充气的动态过程,利用气动热数值仿真方法对稳定伞在超声速段的气动加热情况开展研究,确定典型弹道下的伞船系统的流场环境以及稳定伞面热流、温度分布。该数值研究方法可为中国返回式航天器再入返回过程中的超声速稳定伞设计提供参考。     

金属热防护系统瞬态传热数值模拟方法研究

针对由金属蜂窝夹心板和多层纤维绝热材料组成的金属热防护系统(Metallic Thermal Protection Sytems,MTPS)建立了气动加热条件下整体传热计算模型,采用蒙特卡罗方法模拟蜂窝腔内的三维辐射传递和每个纤维层内的一维辐射传递,采用有限体积法对MTPS一体化结构内辐射导热耦合换热能量方程进行求解,对某结构的MTPS瞬态传热及热响应进行了数值模拟分析,结果表明在所给定的典型时变气动热流条件下金属蜂窝夹芯板对MTPS瞬态热响应影响很小,增大蜂窝腔内表面发射率可明显降低蜂窝蒙皮间的温度差,再入过程中时变气体压力对MTPS瞬态热响应有明显的影响.     

载人飞船有效载荷搭载技术及试验验证

载人飞船飞行任务中搭载的有效载荷设备质量、体积大并且安装要求苛刻,而返回舱内空间狭小且舱内环境复杂。针对这个问题,文章提出了通过改装返回舱座椅作为有效载荷搭载安放的方案。经过试验验证表明,该方案对飞船的影响很小,并且满足有效载荷设备搭载要求。     

载人飞船小型热控风机气流特性和可靠性测试

简要描述了热控风机在载人飞船上的应用背景，小型热控风机气流特性测试装置的组成、结构及测试原理，给出了载人飞船所用热控风机的气流特性和可靠性测试方法及结果。     

神九归来不怕“热”——中国航天空气动力研究院进行返回舱防热部件地面烧蚀试验记

当神舟九号飞船返回舱带着耀眼的火光划破苍穹,从太空返回地球表面时,地面的人们不禁会担心,返回舱会被烧坏吗?返回舱里的亲人安全吗?在黑障区(指飞船返回大气层后无线电信号中断的飞行区段,离地80公里到40公里)飞行的几十秒,地面的人们更是会把心提到了嗓子眼。要验证飞船是否会因为受热破坏这个问题,首先需要进行大量的地面防隔热试验。大气层外物体在高速返回地球表面的过程中,由于与空气的剧烈摩擦产生强烈的气动加热,从而会被全部或部分烧毁。     

载人飞船两种垂挂转换方案载荷比较及分析

为了对新一代载人飞船转垂挂载荷进行深入研究,优化结构设计,文章首先建立了转垂挂过程的动力学模型,通过与空投试验结果比对验证了模型的正确性。在此基础上,针对标称工况、主伞阻力面积偏小工况、返回舱质量偏大工况,计算得到无阻尼缓冲装置和有阻尼缓冲装置两种转垂挂方案对应垂挂转换过程中垂挂吊带载荷及返回舱过载。结果表明:最小载荷出现在主伞阻力面积偏小工况下,最大载荷出现在返回舱质量偏大工况下;各种工况下,阻尼缓冲装置对降低垂挂转换过程中的过载能起到一定的效果;载荷越大的工况阻尼缓冲装置的缓冲效果越差。文章的建模方法和分析结果对新一代大载重载人飞船的论证有一定借鉴意义。     

神舟载人飞船热控分系统设计和在轨性能评估

针对神舟载人飞船热设计特点和难点，简要介绍了飞船的热控方案，并对热控分系统的飞行数据进行了深入分析，综合评估其在轨工作性能。飞行试验表明，飞船在临射前待发段、主动段、自主飞行段、返回再入段及轨道舱留轨各阶段，热控分系统均具有良好的调控能力和适应能力，全船仪器设备温度及密封舱空气温湿度均满足指标要求。     

新一代载人飞船返回舱着陆缓冲过程仿真研究

为了研究新一代载人飞船返回舱采用的组合式气囊的缓冲特性,文章采用控制体积法建立组合式气囊系统的有限元模型,运用显式有限元方法模拟返回舱着陆缓冲过程,通过返回舱–气囊系统跌落试验结果与仿真计算结果的对比,验证该有限元模型的可信性。结果表明,文章采用的方法可以有效模拟返回舱–气囊系统的缓冲过程,组合式气囊能够对返回舱起到较好的缓冲作用,有效降低了返回舱硬着陆的可能性。研究结果可为新型缓冲气囊系统的设计和改进优化提供理论及技术参考。     

多用途飞船缩比返回舱创新研制管理模式探索

为验证新一代载人飞船返回舱新气动构型、可重复使用等关键技术,研制多用途飞船缩比返回舱,并开展关键技术在轨演示验证飞行试验,探索并实践预研成果与型号相结合的创新研制管理模式,采用一步飞行产品投产,按照方案阶段和飞行演示阶段规划研制流程,对照卫星和飞船等航天器开展全生命周期计划管理和关键节点调度,制定适应性产品保证体系,实施产品分类质量管控,圆满完成项目研制和飞行任务实施,达到了预期试验目的。该项目研制实现了预研项目与型号研制的有机结合,拓展了研发范畴,为提升研发成果探索了新路径。     

充气式返回舱气动热特性研究

文章针对航天器返回实时性和经济性的需求,以充气式返回舱为研究对象,研究该飞行器从空间站返回过程中的气动特性,重点分析气动热特性。文章通过引入分子运动论、Kemp-Riddell方法、Linear桥函数等计算方法,建立起该飞行器在自由分子流区、过渡流区和连续流区高超声速情况下的表面热平衡方程,得出了该飞行器返回过程中的驻点热流密度和驻点壁面温度。计算分析了该飞行器最大直径D1和半锥角α等几何尺寸对其气动热特性的影响,得到在一定范围内增大D1和α可以有效减小驻点热流密度和驻点壁面温度,并研究在峰值加热高度附近70km、80km处不同马赫数下的气动热特性。在此基础上,依据热防护系统材料和布局,将气动加热计算的表面热流分布作为外壁边界条件,分析了结构材料层的温度变化特性。     

交会对接组合体热管理研究

组合体热管理是实现目标飞行器和载人飞船交会对接组合体载人热环境控制的重要手段。文章提出了以舱段间通风为技术途径的交会对接组合体热管理方案。在组合体热特性分析和热平衡试验基础上,获得了组合体热管理系统分析模型。分析结果表明,组合体密封舱空气温度在19～26℃范围内可调,验证了交会对接组合体热管理设计的正确性。最后,对空间...     

某航空相机载荷舱热分析与热设计

航空相机的热控设计需要解决流动与传热的耦合问题。文章提出某航空相机载荷舱在复杂飞行环境中上升、巡航、下降全过程的热分析及热设计方法：确定载荷舱热分析数据流,采用专业热分析软件、流体计算软件计算辐射外热流、气动外热流,以及等效对流换热系数沿壁面分布情况及与马赫数的变化关系。将热环境赋予载荷舱热分析模型,通过热分析软件与自开发程序迭代对载荷舱两个极端工况进行了仿真分析。结果表明,据此设计的光学窗口内表面温度高于露点温度10℃以上,得到的载荷舱热分析结果满足热控指标要求,热设计方案合理可行。     

小产品控制“大环境”——记航天推进技术研究院北京11所泵阀研制团队

天宫一号目标飞行器与神舟九号飞船成功实现我国首次载人交会对接,使中国航天向着载人空间站的目标又迈进了一步。作为载人航天工程的参与者,航天推进技术研究院北京11所研制的泵阀系列产品在神舟飞船热控和环控生保系统中发挥了关键作用,为载人飞船提供了良好的温度环境,为中国航天员营造了一个温暖如春的天上居住环境。为航天员提供适宜的温度条件飞船在太空中飞行,最关键的就是航天员的安危和整个飞行过程的成败,这要靠热控分系统和环控生保系统来提供。     

新型升力再入飞船返回舱气动外形选型研究

未来低成本天地往返运输系统的气动外形设计的总体要求是升阻比高、机动性强、稳定性好、过载低、空间大、可重复使用等。结合国内技术水平和国外经验教训,提出了我国未来新型升力再入飞船返回舱的总体气动需求,采用平面斜切二次曲线构造截面的模线设计方法,设计了四种满足长度、截面尺寸和容积等总体需求的返回舱布局方案。利用基于牛顿理论的气动力工程方法对气动特性进行预测,利用气动力与六自由度弹道的耦合计算研究返回舱无控再入飞行特性。研究表明,所设计的返回舱外形高超声速稳定配平升阻比大于0.9,阻力系数大于0.5,法向过载低于2.5,具有较好的静动稳定性,具备可部分重复使用的潜力。     

载人航天器热控分系统噪声控制

随着载人航天器越来越复杂,热控分系统所用到的高速旋转设备越来越多,所产生的噪声将影响航天员的身体健康,因此载人航天器的噪声控制非常迫切。文章通过热控分系统的布局设计以及单机设备的降噪优化等措施,找到了有效降低整个载人航天器热控分系统噪声水平的方法,可供类似的载人航天项目的热控设计参考。     

载人飞船返回舱再入着陆力学环境防护技术改进

文章对弹道-升力式载人飞船返回舱再入着陆力学环境及其乘员和舱载仪器设备的防护措施进行了理论分析和试验研究。适当的返回舱座椅安装角度有利于乘员承受再入过载。座椅缓冲系统是吸收着陆冲击能量、保护乘员最重要的环节,发挥返回舱结构缓冲吸能作用也是改善着陆冲击环境的有效措施。合理设计返回舱设备布局和安装形式可保护舱载设备免受着陆冲击损坏。防护措施的改进可有效保护乘员免受伤害,保证舱载仪器设备正常工作。     

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。