某型超声速半流伞气动热及气动特性研究

多用途飞船返回舱将以自旋方式半弹道再入大气层。返回舱再入飞行过程中,在超声速段存在第二个配平点,有可能出现姿态翻滚的情况。为避免返回舱姿态的不确定引起减速伞的开伞故障,返回舱配备了一个稳定伞,该稳定伞采用半流伞型,开伞高度约为26km,开伞时伞船系统Ma=3.0。因此,该降落伞面临非常严重的气动加热情况。文章基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,验证了简化模型的可靠性,并对二维模型进行仿真,得到了降落伞及流场的速度分布、压力分布、温度分布。可以看出:相同高度下,随着速度值的增大,流场的动压值也是在增大的;相同马赫数下,随着高度的降低,流场的动压值也在增大;伞衣内表面温度始终是要高于外表面温度,且伞面温度最高的区域都处于伞顶口附近的伞带内表面上。     

中国新一代载人飞船返回舱热控设计优化研究

文章针对新一代载人飞船返回舱再入过程气动热环境和返回舱传热特性,建立了气动热环境下返回舱动态耦合传热集总参数模型,能够描述返回舱防热层内侧蜂窝板、舱体、设备和舱内空气间的导热、对流及辐射动态耦合换热过程。文章应用该模型对典型新一代载人飞船返回舱气动热环境下的传热特性进行了分析,提出了防热烧蚀层内侧铝蜂窝板表面包覆多层隔热材料、增强舱外设备与返回舱壁热耦合、降低设备表面红外发射率等返回舱热控优化设计措施。热控优化措施应用于中国新一代载人飞船试验船,并通过首次在轨飞行验证,在近第二宇宙速度返回气动热环境下,返回舱结构、空气、设备等各项温度指标均满足指标要求,验证了返回舱热控设计的合理性。研究结果可为返回式航天器热控系统设计提供参考。     

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。     

登月返回地球再入轨迹的优化设计

针对登月飞船返回地球,其再入速度为108km/s,返回舱的气动加热问题大幅度上升（相对再入速度为78km/s）。给出了多个不同条件下的最优返回再入飞行轨迹设计方案：(1) 二次再入飞行方案;(2) 单次再入飞行方案;(3) 多次再入飞行方案。二次再入飞行方案优于单次再入飞行方案,因为前者可使热防护系统质量下降,具体体现在气动加热上,并容易工程实现。气动加热环境的结果如下：二次再入的最大气动热流密度<单次再入的最大气动热流密度,并且,单次再入的总气动加热量>二次再入的总气动加热量。
     

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。     

载人飞船返回舱的飞行动力学特性与分析（上）

论述了载人飞船返回舱的飞行动力学之特点是其主要研究内容，以一种典型的载人飞船返回舱之构型作为实例，说明返回舱沿其再入轨道飞行时一些特征参数的变化规律，较为详细地分析了返回舱的气动特性、质量特性、旋转角速度、再入角、再入速度以及地转风对其再入轨道运动特性的影响，由此所得到的一些普遍规律，对当今世界上普遍采用的钝头轴对称旋成体外形的载人飞船返回舱之气动外形设计、结构设计、舱载设备／乘员的安装、控制规律     

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。     

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。     

飞船返回舱亚跨声速气动特性及对姿态运动影响的仿真分析

首先分析了飞船返回舱亚跨声速气动特性,指出其受飞行状态影响大的特点。然后采用数值仿真的方法,详细研究了亚跨声速气动特性对返回舱运动特别是姿态运动的影响。所作分析与所得结果有利于工程实际。     

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。     

集成火星进入弹道的开伞过程动力学特性研究

针对火星探测任务设计阶段的需求,提出集成再入弹道、开伞过程仿真一体化设计方法。首先,利用质点动力学模型,计算质点弹道,进行探测器进入过程的飞行轨迹仿真,获得开伞初始状态。其次,基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法,建立开伞过程的流固耦合（FSI）动力学模型,进行典型工况开伞过程数值模拟,分析开伞动压和马赫数对降落伞充气过程的影响。数值模拟开伞过程伞衣几何外形变化和降落伞的流固耦合动力学行为,得到开伞过载变化曲线、伞衣阻力面积变化等典型特征参数。计算结果表明,降落伞开伞动力学的数值仿真方法为火星再入、减速和着陆（EDL）过程的概念设计提供了一定的参考依据。     

纤维增强陶瓷在再入防热结构上应用的探索研究

对纤维增强陶瓷在辐射防热结构中充当外部辐射蒙皮的特性进行了评估。以返回式卫星和飞船典型的力学环境和热环境为依据。对碳纤维增强石英进行了试验研究,包括小平板再入热模拟试验、大型热结构件的常温振动、常温冲击、低温振动、低温冲击和再入加热等项目。一系列试验证明,碳纤维增强石英既保留了陶瓷耐高温、隔热好的优点,又克服了陶瓷固有的脆性,因此,在返回舱上做防热材料颇具潜力。     

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。     

Clipper返回舱气动布局优化方法研究

俄罗斯联邦空间局提出的Clipper飞船返回舱采用升力再入方式,结合了飞船和航天飞机的特点,升阻比高、机动性强、稳定性好、过载低、空间大,而且可以部分重复使用,是未来低成本天地往返运输系统可能的发展方向.采用基于牛顿理论的气动力工程方法对气动特性进行预测,建立了考虑高超声速升阻比和效用容积时的多目标气动布局优化模型,利用多目标遗传算法进行了优化计算,获得了约束条件下的Pareto最优解集.     

航天返回与遥感2004年中文总目次(第25卷)

再入与返回技术年 -期 -页充气展开式新型空间回收技术展望 2 0 0 4 - 0 1- 0 1先进的精确空投系统 2 0 0 4 - 0 1- 0 6可控翼伞的飞行控制程序设计与运动仿真 2 0 0 4 - 0 1- 11降落伞充气时间的计算方法 2 0 0 4 - 0 1- 17基于预处理方法的冲压式翼伞非定常气动特性数值研究 2 0 0 4 - 0 2 - 0 1降落伞稳定下降阶段流场的数值模拟 2 0 0 4 - 0 2 - 0 1翼伞系统两体相对运动分析 2 0 0 4 - 0 2 - 10神舟号载人飞船回收着陆分系统设计与性能评估 2 0 0 4 - 0 3- 0 1航天器回收着陆仿真软件系统 (ARLSSS)简介 2 0 0 4 - 0 3- 0 7翼伞系统…     

Clipper返回舱气动布局优化方法研究

俄罗斯联邦空间局提出的Clipper飞船返回舱采用升力再入方式，结合了飞船和航天飞机的特点，升阻比高、机动性强、稳定性好、过载低、空间大，而且可以部分重复使用，是未来低成本天地往返运输系统可能的发展方向。采用基于牛顿理论的气动力工程方法对气动特性进行预测，建立了考虑高超声速升阻比和效用容积时的多目标气动布局优化模型，利用多目标遗传算法进行了优化计算，获得了约束条件下的Pareto最优解集。     

再入飞船通信环境建模研究

再入飞船的通信环境所受影响主要体现于飞船周围等离子体鞘对电磁波产生衰减。为了研究飞船再入过程中衰减对通信的影响,需要建立飞船外围的三维通信衰减仿真模型,在此基础上可以研究适用于再入通信环境的新型通信技术。为此文章提出了再入飞船通信衰减的动态建模方法,并根据气动、热力学和电磁波理论公式提出了具体的飞船再入动态通信环境建模方案,同时阐述了各部分建模的研究方法,为进一步研究应对黑障的新型通信技术奠定了基础。     

航天返回与遥感2006年中文总目次(第27卷)

再入与返回技术年-期-页静电对降落伞开伞的影响2006-01-01航天器空投试验用大容量数据记录的研究2006-01-07大气密度对降落伞充气性能的影响2006-03-11低密度大气中降落伞开伞动载的研究2006-04-07降落伞-返回舱系统约束模型的建立2006-04-12遥感技术光机扫描仪像质评价与优化     

返回舱再入过程密封舱气体泄漏计算研究

为分析返回舱再入过程中密封舱漏孔内外压差,并对漏孔变流量充气过程进行研究,采用离散化分析方法将返回舱再入过程分成若干个阶段,针对容积为14 m~3的密封舱和面积为10 cm~2的漏孔,计算并获得了密封舱内外压差、漏孔质量流率、漏孔流速等参数在50~5 km范围内随高度下降的变化规律。结果表明:在高度5 km开伞时刻,漏孔质量流率达到最大值0.134 kg/s,舱内外压差趋近于最大值,约20 172 Pa;返回舱下降过程中漏孔流速在148.4~181.5 m/s之间,处于亚声速区;漏孔气体流速与漏孔面积大小无关,仅与漏孔内外压力及漏孔进口空气密度有关。以上研究结果可为密封舱结构强度设计、伞舱弹伞设计提供参考。     

超声速透气降落伞系统的气动干扰数值模拟研究

盘–缝–带伞是目前主流的火星用超声速降落伞,然而由于其阻力性能的限制,新一代的火星探测任务已经开始考虑采用环帆伞来获得足够的阻力性能。同时,在超声速条件下,由于稳定性的需要,透气性对降落伞系统减速性能的影响研究日益受到重视。文章基于计算流体力学方法对不同孔隙率的降落伞系统模型进行数值模拟,旨在分析开缝位置及孔隙率对环帆伞气动性能的影响机理。结果表明:在马赫数为2的大拖拽距离比条件下,无缝环帆伞系统流场与盘–缝–带伞有较大区别,主要表现在伞前激波的形成过程及前体尾流和伞前激波的作用阶段上。此外,开缝产生的孔隙率对环帆伞的减速性能有较大影响。开缝伞形的阻力性能劣于无缝伞形,但稳定性能显著高于无缝伞形。而前缝伞形的稳定性能及阻力性能均优于后缝伞形。该结果对超声速降落伞的伞型结构透气性参数设计有一定的参考价值。