充气式再入柔性热防护系统热流及结构研究

建立了充气式再入返回航天器的展开模型,用工程算法对整个再入过程的外热流和温度进行了估算。根据再入过程的外热流和温度条件,参考"充气再入飞行器试验"(Inflatable Reentry Vehicle Experiment,IRVE)典型热防护材料和结构设计,建立了柔性热防护系统结构模型及传热模型,通过ANSYS有限元方法计算出柔性热防护系统各功能层再入过程中的温度响应。文章从功能层材料、功能层铺层顺序和复合功能层三方面,初步分析比较了各种方案的充气式再入柔性热防护系统的防热效果,可为充气式再入返回柔性热防护系统的设计分析提供参考。     

充气式再入航天器结构参数优化及防热试验工程方法

用工程算法对充气式再入航天器的全展开半径,半锥角,刚性头锥半径与全展开半径之比三个方面的参数进行了优化计算,获得同时满足航天器质量,刚性头锥及柔性防热系统温度约束条件的充气式再入航天器的设计方案,计算得到了优化设计方案整个再入过程的外热流密度和温度变化规律,并且通过与文献中数据对比,验证了文中工程算法的正确性。针对再入过程的外热流密度和温度条件,参考充气式再入返回试验(Inflatable Reentry Vehicle Experiment,IRVE)典型防热材料,设计不同的柔性防热系统结构试验件。最后,通过热冲击试验,得到了各试验件冷端的温度响应,验证了各试验件在再入温度条件下防热性能。文章提出的柔性防热系统结构的改进方向,可为充气式再入航天器的设计分析提供参考。     

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。     

充气式进入减速技术的发展

充气式进入减速系统适用于高超声速下飞行器的进入减速、可折叠展开,集成了气动热防护、气动减速和着陆缓冲等多项功能于一体,将成为航天器进入或再入返回的主要技术途径。文章首先归纳了数十年来充气式进入减速系统发展出的主要构型,简述了其主要性能特点;之后以几个典型项目为例,介绍了国际上充气式进入减速系统的发展情况。文章针对充气式进入减速系统最为重要的组成部分——充气展开柔性结构归纳了多场耦合及气动优化设计、轻质柔性耐高温材料、折叠包装与充气展开等关键技术。最后,对充气式进入减速系统的发展情况进行了小结,提出了应用展望。     

再入航天器陶瓷拐角环防热计算与结构适用性分析

文章基于近地轨道及探月返回再入热环境,应用超高温陶瓷到再入航天器的典型防热结构,计算分析了再入过程中的防热结构温度场。利用温度场计算结果,再结合超高温陶瓷抗烧蚀性能以及结构设计与工艺性分析,就超高温陶瓷作为再入航天器防热结构的适用性进行了深入探讨。结果表明,由于超高温陶瓷的优良耐高温及耐烧蚀性能,在近地轨道及探月返回再入航天器防热结构上具有良好的应用前景。     

载人航天器月地返回再入问题研究

结合国外探月返回再入飞行的工程实践情况,对国外载人航天器月地返回再入几何约束、再入走廊约束、航天员过载限制约束,以及再入轨道、再入航程、再入方式和气动外形的选择策略进行了研究和分析。文章的研究结果可为我国载人探月及载人深空探测航天器返回再入设计提供参考。     

充气式再入减速器研究最新进展

随着载人航天事业和行星探索任务的不断发展,再入返回运载工具受到运载火箭整流罩的大小限制越来越明显。针对降低返回系统重量以增加有效载荷的日益需求,一种新型充气式再入减速器成为国际上研究的热点。它具有易折叠包装、重量轻、展开阻力面积大,再入时弹道系数低和产生的气动热量小等明显优点,为航天员应急返回、深空探测以及有效载荷的回收提供了一种新的技术途径。重点对堆叠圆环型、单充气环薄膜型和双层锥形充气囊型等三种充气式再入减速器在结构设计、飞行测试、材料防热研究、气动特性仿真分析等方面的最近研究进展进行总述,并对充气式再入减速器的关键科学问题进行简要总结。     

空间站充气式下载系统的概念研究

空间站充气式下载系统(IDS)是在俄罗斯充气式再入与降落技术(IRDT)基础上发展起来的一种新概念航天回收技术。详细介绍了IDS基本概念和工作原理，通过与传统降落伞回收方式的比较．总结了该技术的特点。讨论了该技术对结构、轨道、气动力、气动热、热防护层等关键子系统的设计需求。归纳了国外研究现状及发展趋势，分析了航天和军事领域的应用前景。     

空间站充气式下载系统的概念研究

空间站充气式下载系统 (IDS)是在俄罗斯充气式再入与降落技术 (IRDT)基础上发展起来的一种新概念航天回收技术。详细介绍了IDS基本概念和工作原理 ,通过与传统降落伞回收方式的比较 ,总结了该技术的特点。讨论了该技术对结构、轨道、气动力、气动热、热防护层等关键子系统的设计需求。归纳了国外研究现状及发展趋势 ,分析了航天和军事领域的应用前景。     

Al_2O_3纤维在空间充气式气动阻尼结构中的应用

文章分析了空间充气式气动阻尼结构(IADS)柔性热防护系统(TPS)的性能、特点和结构,及Al2O3纤维的性能,通过介绍美国充气式气球伞、充气式回收飞行器、充气阻尼式再入飞行器的TPS,对Al2O3纤维在IADS中的应用前景进行了展望。     

载人登月返回再入有关问题初步研究

载人登月返回再入涉及到三体问题,且与近地轨道返回再入相比速度更大.因此再入方式的选择和再入弹道的设计涉及到飞行器的方案和再入返回的安全.通过对不同返回再入方式的对比分析,认为跳跃式再入是优选方案.再入点选择、再入过载、升阻比、再入航程、再入轨道倾角都是返回再入方案设计中需要考虑的问题,需结合工程实际进行深化论证,文章提...     

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。     

再入飞行器脉动压力环境特性分析

文章通过数值求解球头单锥飞行器绕流流场结构,利用均方根脉动压力系数、功率谱密度和窄带空间相关系数3个统计参数分析飞行器湍流附面层脉动压力环境特性,为飞行器结构改进设计提供依据,并为飞行器环境条件加载位置、加载密度等参数的确定提供参考。研究结果表明,脉动压力强度沿流向逐渐减小,压力脉动能量主要集中在比湍流附面层脉动特征频率小的频域内;脉动压力空间相关性沿流向逐渐增强,其衰减能力随间隔距离的减小而增加,符合脉动压力的传播和衰减特征。     

磁阻尼对火星探测器降落过程的动力学效应

火星稀薄的大气使得探测器再入火星时难以获得足够的减速阻力,为此,文章提出利用磁阻尼增加阻力的概念。高速再入的探测器与火星大气剧烈摩擦产生等离子体,利用探测器上的磁偶极场将等离子体捕获,同时在火星大气中形成一个“磁泡”区域并跟随探测器。由“磁泡”束缚的等离子体与来流的中性气体发生碰撞获得动量,又通过磁场作用将动量传递给探测器,从而使探测器获得一定的减速阻力。在磁阻尼的作用下,在同样的开伞高度探测器速度可降至更低,而低速开伞又可提高阻力伞打开的可靠性。因此,磁阻尼不仅可加快降低再入速度,而且还有助于提高探测器着陆火星的安全性。     

Launch cost reduction by the reuse of the core stage of Ariane 5

The high cost of launching payloads into Earth orbit is a main limiting factor on the development of space. In order to reduce the high cost of launch, reuse of (parts of) the launch vehicle is needed. This study analyses the possibilities of recovering and reusing the core stage of Ariane 5. Recovery of the core stage sets demands on re-entry trajectory, attitude, stability, thermal protection, structural strength, terminal deceleration, salt water protection, recovery and refurbishment. All these subject areas require solutions to their individual problems. Added subsystems to the stage are defined and their mass is determined. These masses are used to determine the financial feasibility of the recovery concept, by weighing the payload demise and operational cost against the gains of reduced production cost. It is concluded that the recovery is technologically feasible, using a detachable ablative heat shield on the nose of the stage and a stabilisation device (an inflatable drag cone), a parachute system and an engine enclosure device. Total mass of these systems is 1320 kg, with financial savings amounting to $8.5 million per flight.     

交会对接载人飞船返回舱结构优化设计

为减轻飞船返回舱结构重量、使结构形式更为合理,对返回舱主要部件进行了结构优化设计。在不降低结构可靠性、满足与其他设备接口匹配性等4项优化原则的基础上,合理选取优化对象,确定了优化目的和约束条件,并以前端框、滚动发动机舱和贮箱隔舱3个主要部件为例分别进行阐述。通过优化设计,3个主要部件的结构重量减轻了0.25～10kg,...     

Aerothermodynamic and stability analyses of a deployable re-entry capsule

Recent research projects, in the field of atmospheric re-entry technology, are focused on the design of deployable, umbrella-like Thermal Protection Systems (TPSs). These TPSs are made of flexible high temperature resistant fabrics, folded at launch and deployed in space for de-orbit and re-entry operations. In the present paper two possible sphere–cone configurations for the TPS have been investigated from an aerodynamic point of view. The analyzed configurations are characterized by the same reentry mass and maximum diameter, but have different half-cone angles (45° and 60°). The analyses involve both the evaluation of thermal and aerodynamic loads and the assessment of the capsule longitudinal stability. The aerothermodynamic analysis has been performed for the completely deployed heat shield in transitional and continuum regimes, while the longitudinal stability has been analyzed in free molecular, transitional and continuum regimes, also taking into consideration the heat shield deployment sequence at high altitudes.     

类Clipper再入返回飞行器气动特性分析

针对类Clipper再入返回飞行器的气动特性，采用近似反设计的方法，在飞行器外包络等约束条件下，通过形状控制函数，计算出类Clipper飞船的气动外形。基于计算流体动力学(CFD)数值模拟方法，研究分析类Clipper再入返回飞行器在不同高度、不同马赫数和不同攻角下的全空域/速域气动特性变化规律，并结合不同飞行状态下的压心位置探讨飞行器的稳定性。结果表明:类Clipper再入返回飞行器在不同飞行状态下能够具有良好的气动特性，最大升阻比可达1.1以上，属于中等升阻比再入，总体呈现出良好的静稳定性，可在未来作为具有可重复使用再入返回飞行器的方案之一。     

多用途飞船返回舱虚拟振动试验研究

利用虚拟振动试验软件系统、多用途飞船返回舱的有限元模型和"神舟一号"返回舱的历史试验数据,对多用途飞船返回舱进行虚拟正弦和随机振动试验,考核了返回舱经受动力学环境的能力,研究发现设计方案在一阶共振区响应过大,存在较大的设计缺陷,经过多次迭代优化设计后的模型满足设计要求。研究结果为多用途飞船返回舱的设计和优化提供了依据。