“天问一号”探测器舱体抛离试验系统设计与验证

火星探测器防热大底和背罩的高速抛离是进入、下降、着陆过程中的关键环节之一,需在地面开展有效的试验验证。文章针对抛防热大底、抛背罩地面试验中高速度、高加速度跟随和空间力、力矩耦合施加问题,提出了采用电机驱动的主动式分离方案和空间力、力矩的耦合控制方法,设计了试验系统并建立了动力学模型,分别开展了仿真和试验验证。试验结果表明,大底和背罩分离过程中的受力状态得到准确施加,且与仿真结果基本吻合,验证了分离方案的可行性。该试验方法有效验证了火星探测器大底和背罩抛离过程的机械安全性,也为其他航天器的分离试验提供了有益参考。     

天问一号着陆器EDL过程建模与仿真

针对天问一号着陆器的进入、下降与着陆(EDL)过程,考虑伞降动态特性,建立包含大底与背罩分离过程的EDL全过程高保真仿真模型.对着陆器跨越高超声速到亚声速的飞行过程,特别是伞降过程中降落伞、着陆器、大底、背罩的相互作用进行建模,建立了着陆器六自由度刚体动力学模型、降落伞-着陆器(背罩)组合体模型、大底(背罩)-着陆器组...     

火星探测器分离试验方法研究

火星探测器分离试验是火星探测器在总装测试阶段的重要试验项目之一,需要设计专门的试验系统模拟分离时的低重力环境。文章针对着陆器与环绕器分离工况中的瞬时失重问题和着陆器背罩分离工况中的非平衡系统缓冲吸能问题,提出基于拉伸弹簧组件和配重分离的解决方案,并使用模拟件进行试验,验证了所提出方法的有效性。     

火星着陆关键环节多学科交叉设计与验证

针对火星着陆任务在飞行环境、地面验证、系统间关联性等方面面临的技术挑战,根据火星着陆关键环节涉及的气动减速、降落伞减速、动力下降和着陆缓冲四个主要阶段,分别分析了大气进入方式、进入初始条件、气动外形、防热、开伞控制、大底弹射、背罩规避机动与触火关机等关键要素,并介绍了天问一号与其他典型火星着陆任务开展的多学科交叉设计过...     

天问一号着陆器大底分离触发条件设计方法

针对天问一号着陆器防热大底分离触发条件确定问题,利用数学仿真的方法分析气动特性、防热大底相对着陆器姿态运动等因素对分离安全性的影响,给出可安全分离的触发条件.不同分离触发马赫数的仿真结果表明,较大分离马赫数的碰撞风险较高,但防热大底长期运动趋势由弹道系数决定,相比着陆器下降更快.根据伞降过程着陆器姿态运动及伞绳力特点,...     

火星着陆任务环境特点及影响分析

正与地球再入返回过程相比,火星着陆过程虽有一定相似性,但由于火星在大气成分、大气密度、物理性质等方面与地球存在较大差别,且具有较大不确定性,使得整个着陆过程更为复杂。目前国外已经成功实施的火星着陆任务的着陆过程划分为4个阶段(气动减速段、伞降段、动力下降段和着陆缓冲段),涉及降落伞弹射与充气展开、大底/背罩分离、着陆缓冲机构展开、微波雷达启动测量、制动发动机开机等关键环节,探测器各阶段面临快速切换,时序紧张。此外,正是由于火星与地球环境条件的差异,在地球开展全尺寸全时序飞行验证很难实现,需要用全过程仿真和关键单机/分系统的试验来达到全面验证的目标。     

“火星科学实验室”的EDL试验验证技术及启示

介绍了美国"火星科学实验室"(Mars Science Laboratory,MSL)的进入、下降与着陆(Entry,Descent and Landing,EDL)技术验证体系。该体系可分为EDL飞行动力学、EDL飞行系统和EDL子系统3部分,主要基于仿真建立,同时利用海盗号(Viking)探测器时期的试验数据。针对火星EDL技术的验证,分析了我国已掌握的EDL地面试验技术。通过对比结果表明,我国虽然在气动减速、伞减速、动力下降和着陆技术的试验验证均有良好的技术基础,但仍面临有伞充气过程环境恶劣且复杂、减速下降动作多、大底和背罩分离过程内外环境耦合等新问题。最后针对现有技术所面临的关键问题,梳理出适合我国发展的火星EDL验证体系,并提出了解决关键问题的试验验证方案,可为我国火星着陆任务EDL试验验证工作提供参考。     

火星探测降落伞模型高速风洞变迎角试验技术

为获得火星探测器物伞系统动力学仿真中需要使用的降落伞轴向力、法向力、俯仰力矩系数，开展了火星探测降落伞模型高速风洞变迎角试验技术研究，研制了火星探测降落伞模型高速风洞变迎角试验装置，进行了火星探测降落伞模型高速风洞变迎角试验，获得了火星探测降落伞模型在马赫数范围0.4～0.8、迎角范围0°～25°时的轴向力、法向力和俯仰力矩系数，并对支撑干扰及洞壁干扰影响进行了扣除修正。试验结果表明：火星探测降落伞模型的轴向力系数随迎角变化较小；常规透气伞的法向力系数随迎角增大而增大，在马赫数为0.4和0.6时，低透气伞的法向力系数在小迎角时随迎角增大而减小；在马赫数范围0.4～0.8时，常规透气伞静稳定，低透气伞的静稳定性较常规透气伞减小，在马赫数为0.4和0.6时，低透气伞在零迎角时静不稳定，出现了非零配平 迎角。     

超声速条件下伞盘模型的气动干扰数值研究

盘缝带降落伞是目前已成功实施的火星着陆任务均采用的主流伞型,为了探究盘缝带伞衣中不同的伞盘模型形状对于降落伞性能的影响,文章基于计算流体力学方法针对不同构型的伞盘模型进行数值模拟研究,分析和预测其超声速条件下的气动性能表现。结果表明:随着伞盘模型凹陷深度的减小,伞前脱体激波更接近伞体,导致伞内表面驻点区域的压力变大;当伞盘凹陷深度增大时,气流从伞端部流出时更容易使得端部压力升高,因此获得更大的平均压力分布,导致其阻力系数增大,然而这也会引起可观的侧向力,使得伞衣稳定性降低。另外,当来流马赫数增大,其阻力系数会随之减小。该结果对于火星降落伞的伞形的设计有一定的参考价值。     

仿猫月球着陆缓冲机构设计与缓冲特性研究

针对现有被动式铝蜂窝月球着陆器缓冲力波动大、无法重复使用的问题,提出一种基于磁流变缓冲器的仿猫月球着陆缓冲机构。首先,开展了不同高度平台的家猫跳落实验,对其跳落着陆姿态与前/后腿触地冲量进行了分析,探究其缓冲吸能机理;实验结果表明猫后腿的缓冲吸能占比更高。其次,结合猫跳落实验与中国嫦娥系列月球着陆器参数,设计了一种新构型仿猫着陆缓冲机构,并将其与嫦娥着陆器进行了仿真分析对比。结果表明,所提出的仿猫月球着陆缓冲机构,其机体最大加速度降低了18.3%,具有更为出色的着陆性能。其前腿缓冲吸能贡献约为40%,后腿的缓冲贡献度约为60%,与家猫高台跳落实验结果基本吻合,验证了仿猫月球着陆缓冲机构设计方案的合理性。     

可膨胀再入防热锥的技术进展

长期以来返回式飞行器为承受再入气动载荷和着陆冲击 ,采用具有防热层的刚性飞行器壳体 ,导致返回舱的质量和外形大于有效载荷的数倍。柔性可膨胀再入防热锥可解决上述不足之处 ,这种锥形返回舱在返回前进行充气改变其气动特性 ,使在返回过程中达到所需的气动参数和最终着陆速度。可膨胀再入防热锥技术能使有效载荷舱获得广泛用途 ,不但能使航天员、货物和昂贵的硬件安全返回地面 ,还能在载人飞行遇险时作为应急救生的有效措施 ,以及在未来火星探测中发挥积极作用。     

一种舱段快速连接结构设计及承载能力分析

设计了一种新型的舱段间连接装置，分析了其在轴向力载荷作用下的受力情况，并以相对滑动作为失效判据给出了预紧力的计算方法，在此基础上分析了卡箍倾角、摩擦系数以及预紧力等对该结构承载能力的影响。研究结果表明：直径为1 200 mm的连接结构能够满足1 000 kN 轴拉载荷下的使用要求。卡箍与壳体配合面倾角、摩擦系数以及预紧力等均会对该连接结构的承载能力产生影响，其中预紧力的影响主要表现为预紧力增大，卡箍与上下壳体对接面的压力增大，产生的摩擦力增大，因此其轴向承载能力增大。此外，随着配合面倾角增大以及摩擦系数的减小，则会导致该连接装置承载能力产生显著下降。     

化学非平衡效应对返回舱再入气动力特性的影响

高空高马赫数条件下,化学非平衡效应将对飞行器气动特性产生影响,影响飞行器气动布局优化和飞行弹道设计。文章通过三维化学非平衡流动求解程序,针对再入返回器开展数值研究与机理分析,通过对比完全气体模型和化学非平衡气体模型获得的气动力参数,揭示化学非平衡效应对流场结构和气动力特性的影响和规律。结果表明,对Apollo的气动力计算结果验证了模型和计算方法;化学非平衡效应影响下,激波层内化学反应消耗大量能量,致使激波脱体距离减小,气体压缩性增强;典型状态高度为70 km,Ma=30条件下,化学非平衡效应导致返回器升力系数增大约6%、阻力系数增大约1.3%～3.3%、升阻比增大3%左右、俯仰力矩系数增大,从而使配平攻角减小约2.5＆#176;;通过机理分析,发现化学非平衡效应影响下表面压力系数发生变化的原因是飞行器周围激波形状及驻点压力改变,表现为气体沿流线经激波层、压缩区和膨胀区的历程变化;对于钝体形状的返回器,迎风面前体压力系数增加和后体压力系数降低,造成轴向力和法向力系数增大。     

“火星科学实验室”EDL方案及其新技术分析

"火星科学实验室"进入、下降与着陆(EDL)技术代表了目前已步入应用阶段的火星探测的最新技术。在分析该方案基础上,对其所应用的升力式进入及进入制导控制技术、基于马赫数的开伞控制技术、"矢量点乘"控制的防热罩分离技术、基于"空中吊车"的动力下降与着陆缓冲技术和"空中吊车"飞离控制技术等进行了分析,可为火星探测研究提供一定的借鉴和参考。     

带凹槽结构的涡轮泵平衡活塞工作特性分析

在涡轮泵中设计平衡活塞结构是用来平衡轴向力的重要方法之一,平衡活塞通过调节涡轮泵叶轮和壳体间隙的压力分布降低轴向力大小,而在平衡活塞内增设凹槽结构则可以更好地平衡轴向力、扩大平衡轴向力的工作范围。针对凹槽结构的工作特性研究问题,建立了带不同凹槽结构的平衡活塞后泄漏流道数值仿真模型,并根据仿真结果对平衡活塞后泄漏流道内的...     

Rats in a transparent morris water maze use elemental and configural geometry of landmarks as well as distance to the pool wall

The aim of this study is to evaluate whatare the dimensions of a panorama of discretelandmarks that a rodent will store in order toreturn to a previously visited target. Ratswere trained to locate a hidden platform in acircular pool of clouded water set within aquasi-spherical enclosure. In order to find theplatform, they had to learn the geometricrelations between the platform and asurrounding set of three discrete landmarks,highly visible through the transparent wall ofthe pool. In test trials without a platform,the array of landmarks was so manipulated as todissociate the effect of actual distance to thelandmarks, of their angular separation, and oftheir apparent dimension. Animals were shown torely equally on angular separation and apparentdimension. The role of actual distance couldnot be definitely ascertained, as animals wereshown to additionally rely on the distance tothe pool wall in order to locate theplatform.     

具有吸附性的平板型轨道分子屏离轴区域真空特性的研究

轨道分子屏真空系统,是利用分子屏轨道飞行速度远大于轨道环境大气的平均热运动速度,使空间环境对分子屏产生理想的抽速,在尾部形成气体分子的稀化区,达到极高真空.对平板型轨道分子屏,现有的文献中,仅仅计算了沿对称轴线的压力分布,然而,由于实际的分子屏试验,试件是具有一定尺寸的三维物体。仅仅获得对称轴线上的真空信息是不够的,需要对偏离对称轴线的空间点,进行分析计算.文章针对具有吸附性的平板型轨道分子屏,对偏离对称轴线的压力分布计算,提出了一套计算方法,对500km 的轨道高度,计算结果表明:当考察点与分子屏表面的距离(=|Z0|)小于1.0m,偏离对称轴线的距离小于1.6m 时,真空度维持在优于10~(-10)Pa 的数量级。建议在这一尺度范围进行材料试验。     

喷管尺寸对电弧风洞流场和热环境的影响分析

为获得电弧风洞喷管尺寸对试验流场以及模型表面热流的影响规律，针对某特定模拟参数试验状态，采用高焓流动数值模拟方法对不同尺寸锥形喷管下的球柱校核模型试验流场进行了模拟和比较分析。研究发现，在模拟气流焓值和模型驻点热流的条件下，采用出口尺寸小的喷管所需电弧加热功率更低，同时单位流向截面上气流能量转化为模型驻点气动热的比例更低。不同喷管出口尺寸下，试验流场喷管出口区域热力学非平衡程度、波后氧原子质量分数、模型驻点区域压力以及表面传导热流和扩散热流占比都比较接近，但相较飞行状态存在明显差异；不同喷管出口尺寸下来流速度、激波脱体距离以及驻点线上平动温度之间的差异明显，喷管出口尺寸越大，其与飞行状态越接近。     

高超声速流动壁面催化复合气动加热特性

针对高超声速流动壁面催化特性,计算了不同壁面催化复合系数条件下的球锥驻点热环境。引入了经验证的数值求解Navier Stokes方程的方法,在不同壁温500K～2500K的条件下分别分析了O 2和N 2气体在壁面处的催化复合气动加热特性,得到如下结论：（1） 原子复合放热将提高近壁面温度梯度,改变近壁面组分分布;原子复合放热一部分加热飞行器形成组分扩散热流,一部分加热近壁气体提高近壁温度梯度。（2） 在壁面催化复合系数较小时,原子复合放热主要转化为组分扩散加热,对于不同壁面温度,壁面催化复合系数α<0.1时,单一气体反应组分扩散热流小于总热流的20%。