超低轨航天器气动力分析与减阻设计

轨道降低,航天器受到的气动力增大,气动力对航天器影响显著。考虑自由分子流态 下的超低轨航天器,利用分割法把简单外形的航天器分割为几部分,分别计算各部分的气动 力,然后相加获得总的气动力效果;通过对平面的气动力进行计算分析,提出了超低 轨航天器的减阻设计方法;结果表明：当轨道高度降低到250 km左右时,航天器受到的气动 阻力比500 km高出约2个数量级;一般情况下,超低轨航天器应采用细长体构型,减小迎风 面积;侧面积引起的航天器阻力已经不可忽略,应采用侧面光滑技术,减少侧面阻力;当超 低轨航天器长细比超过一定限度后,随着长细比增大,大气阻力升高。
     

跨流区超低轨航天器快速气动力计算方法

超低轨飞行器常工作在过渡流区中,过渡流区中气动特性多变,建模困难,目前缺少较好的快速气动力计算方法。在面元法的基础上,提出了设计迎风单元筛选算法与logistics-log桥函数,对连续流区与自由流区结果进行加权,实现超低轨卫星的气动力估算。在方法验证中,对圆柱与钝头双楔体在宽努森数(Kn)范围下的气动力进行测算,发现结果与直接模拟蒙特卡洛法(DSMC)数据一致。对典型超低轨飞行器地球重力场和海洋环流探测卫星(GOCE)的气动力进行分析,发现GOCE随着姿态变化阻力变化明显,需要舵面或陀螺仪进行姿态控制;在不同高度下的阻力量级变化大,在超低轨运行时需要动力系统维持高度。     

格栅尾翼布局的姿轨控直接力气动力特性研究

针对防空反导拦截导弹拦截高突防能力目标的需求，研究了格栅翼与直接力控制结合使用的创新型导弹布局的气动性能。使用计算流体力学(CFD)方法计算了新型布局在不同姿轨控组合喷流时的气动干扰特性，对比研究了典型设计点的无喷、单喷口喷流、组合喷流的全弹主要气动分量和部件气动力。研究结果表明:格栅翼应用于高空高速的弹道末端时，格栅内部不会出现壅塞现象;组合喷流的姿轨控可解耦，在气动力数学模型建模时可以主要针对轨控的气动干扰量进行建模，从而极大的简化气动数学模型，减少型号研制成本。研究结论可推广到一般的在弹道末端纯直接力控制的布局气动力数学建模中。     

充气式再入航天器总体方案及关键技术初探

充气式再入航天器是一种新型的再入航天器,可实现载人航天和行星探测任务中的行星大气再入,具有系统简单、质量小、气动加热低和可适应不同外形的再入载荷等优点。文章介绍了充气式再入航天器的国际发展现状,并对充气式再入航天器的总体方案进行了初步分析。参考俄罗斯的充气再入与降落技术(inflatable re-entry and descent technology,IRDT)设计先例,提出了充气式再入航天器的构型方案,并针对该构型进行了基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的气动力和热仿真分析。计算采用了迎风格式的层流模型,基于密度进行求解。文章还基于国际空间站的运行轨道,开展了再入轨道的设计,最后对再入气动特性分析、柔性热防护材料、布局与折叠包装和充气机构设计等关键技术提出了初步建议。     

超低轨卫星气动参数及转动惯量在轨实时辨识

给出了超低轨卫星气动参数和转动惯量的在轨实时辨识方法。针对超低轨卫星所处的稀薄流环境,建立了镜面-漫反射模型稀薄流散射系数的傅里叶级数模型。根据卫星姿态动力学与运动学方程推导了傅里叶级数模型中各气动参数以及卫星转动惯量的线性观测模型。以采用气动主动控制方式的近地圆轨道纳星为仿真对象,用递推最小二乘法进行在轨实时辨识,辨识结果与设定值一致。方法对卫星在轨实时控制时需获取高精度的气动力矩和卫星真实转动惯量有重要的意义。     

基于参数化CAD模型的飞行器气动／隐身一体化设计

提出一种将CAD软件与气动／隐身多学科设计优化相结合的方法。该方法的流程为：(1) 建立外形参数化数学模型;(2) 应用CATIA二次开发技术,自动生成三维CAD模型;(3) 从该模型上提取气动和隐身计算所需的外形数据;(4) 应用多目标优化算法进行气动／隐身一体化设计。以一个翼身融合体飞行器气动／隐身一体化设计为例,详细阐述流程的具体实现过程。结果表明这种方法具有如下优点：(1) 充分利用了CAD软件精确的参数化建模功能;(2) 为气动分析和雷达散射截面（RCS）计算提供了一个统一的外形模型;(3) 能从CAD模型中获取容积、表面面积等几何特征信息;(4) 优化结果直接反映为三维CAD模型。这些优点使得该方法具有实用意义。
     

平面遮挡分析法及其在航天器气动力矩分析中的应用

针对空间站等复杂构型航天器迎流面积和气动力矩的快速分析问题,提出一种平面遮挡分析法。该方法在与迎流垂直的方向上,选定一个二维投影平面进行航天器组成单元的划分和二维外形信息的定义;通过标志符、差值函数及相关的单元外形边界搜索规则定义和操作,实现迎流面积和遮挡面积的计算。平面遮挡分析法减少了遮挡分析所需使用的航天器外形信息维度,可以提高遮挡分析的效率。然后给出基于该平面遮挡分析法对迎流面积和压心位置进行计算的数学模型,对使用的气动力矩分析模型进行说明。以一个非对称构型的空间站为例,对相应的迎流面积和气动力矩进行仿真计算和对比验证。结果表明,平面遮挡分析法具有较为明显的计算时间优势,同时具备较高的计算精度。     

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。     

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。     

轨控喷流干扰气动—运动一体化非定常数值模拟

针对运动条件对反作用控制喷流控制气动干扰的影响,基于雷诺平均N-S方程,建立非定常气动--运动一体化方法,通过计算流体力学（CFD）/刚体动力学（RBD）耦合求解,对一种采用轨控喷流直接力控制的锥柱裙外形进行了数值模拟,研究了干扰流场结构、力和力矩与飞行器状态随时间变化特性,分析了运动非定常计算和定常计算的对比结果以及外流参数（马赫数,攻角等）变化对气动运动特性的影响。研究结果表明：轨控喷流使飞行器运动时存在强烈的非定常特性,定常计算的法向力放大系数和干扰俯仰力矩大于运动非定常计算结果。