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。     

钟形返回舱空气动力特性数值模拟

文章基于Euler方程及N_S方程的数值求解方法 ,对返回舱亚、跨声速和高超声速的流场及气动特性进行了数值模拟 ,其中Euler方程数值求解采用二阶Godunov有限体积法 ;N_S方程数值求解采用二阶Harten_Yee格式的差分法。得到同实验值一致的物面压力、气动力系数和在不同速度范围出现的激波、流动分离及旋涡等流场特征。通过完全气体、平衡气体和非平衡气体的流场数值模拟结果分析比较 ,得出真实气体效应对返回舱气动力特性影响较小这一结论。计算结果表明数值模拟方法是预测返回舱气动特性的有效手段     

钟形返回舱空气动力特性数值模拟

文章基于Euler方程及N－S方程的数值求解方法，对回舱亚、跨声速和高超声速的流场及气动特性进行了数值模拟，其中Euler方程数值求解采用二阶Godunov有限体积法；N－S方程数值求解采用二阶Harten-Yee格式的差分法，得到同实验值一致的物面压力、气动力系数和在不同速度范围出现的激波、流动分离及旋涡等流场特征。通过完全气体、平衡气体和非平衡气体的流场数值模拟结果分析比较，得出真实气体效应对返回舱气动力特性影响较小这一结论。计算结果表明数值模拟方法是预测返回舱气动特性的有效手段。     

高超声速滑翔飞行器再入气动系数改进拟合模型

为提升高超声速滑翔飞行器再入气动系数的刻画精度,基于公开的CAV-H气动系数数据,本文提出了一种改进的高超声速滑翔飞行器再入气动系数拟合模型。首先,建立攻角二次项和马赫数负指数幂项相结合的气动系数拟合模型。其次,利用多元非线性最小二乘法对模型进行参数辨识,并采用拟合优度评价了该模型对气动系数数据的解释程度。然后,依据该模型从升阻比角度分析了气动模型飞行特点。最后,对本文改进模型进行数据拟合仿真,分析升阻比特性,并进行再入轨迹优化任务仿真。气动数据拟合实验表明,与现有典型模型相比,改进模型拟合误差降低,拟合优度进一步提高。不同定升阻比的飞行仿真实验表明,应用改进模型可全面刻画再入滑翔飞行特性。再入滑翔飞行任务仿真结果表明,相较于对比模型,改进模型得到的再入轨迹更为平稳。     

返回器稀薄区气动特性工程计算方法的应用研究

中国航天返回器再入过程采用非弹道式再入轨道,其高空稀薄区滞留时间显著增长,稀薄效应对再入飞行的影响显著增强,因此快速而准确地预测返回器稀薄区气动特性变得非常重要。文章分析归纳了多种稀薄区气动特性工程计算方法即桥函数方法的发展和应用,并以 Stardust 返回舱为对象,对比分析了三种不同桥函数的预测精度,给出了在航天返回器气动预测中更为合适的工程方法。结果显示：不同桥函数预测结果差别很大;在不同攻角下,与数值模拟的对比分析表明,局部桥函数方法气动特性预测结果基本优于其它桥函数,尤其是在力矩系数预测上。因此稀薄区气动特性的预测采用局部桥函数较为合适。     

充气式再入减速器动态气动载荷与结构特性研究

针对充气式再入减速器在动态飞行环境下的结构特性变化问题，提出一种基于飞行轨迹参数的CFD动态边界条件加载方法，有效实现了飞行动力学与空气动力学之间的耦合。同时，建立考虑内充压气体热效应的流固耦合模型，较已有方法更全面地考虑了结构变形对流场的影响以及内充压气体状态参数的改变，突破了现有研究中未能完整考虑温度对结构特性影响的局限。利用此模型着重对比了再入过程中气动力与气动热对结构应力及一阶固频的影响，并研究了尺寸变化对结构特性的影响规律。研究发现单独考虑气动力与气动热作用时，结构最大应力分别升高至39.6 MPa与33.5 MPa，而适当减小半锥角和增多气囊数目有利于减小结构应力。本文研究为充气式再入减速器的强度校核及优化设计提供了有价值的参考。     

化学模型对数值模拟等离子体流动的影响研究

针对典型再入飞行试验条件,基于求解化学非平衡N-S方程的数值方法,对再入体非平衡等离子体绕流进行数值模拟,比较分析了两种典型化学模型对电子数密度数值模拟结果的影响。研究发现,7组分化学模型的电子数密度模拟结果具有较好的一致性,而11组分化学模型的数值模拟结果则存在较大差异,产生差异的主要机制在于不同模型中氧原子的电离效应,总体上Park模型的数值模拟结果与飞行测量结果具有较好的一致性。     

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。     

传感器催化特性差异对气动热影响的计算分析

针对高温气体效应及壁面催化效应对气动热环境影响,考虑高温空气各种化学反应、分子振动激发、流动中的非平衡效应以及壁面催化复合反应,通过数值求解热化学非平衡N-S方程和壁面能量、质量平衡方程,完善了有限催化条件下高温热化学非平衡流场气动热环境数值模拟方法和程序。在此基础上,针对廉金属热电偶传感器热流测量问题,开展了不同条件下高超声速热化学非平衡流场气动热环境数值模拟,分析了催化特性差异对局部气动热环境(传感器表面热流)的影响规律,为试验数据的误差带分析、修正处理和使用提供参考。研究表明:1)催化特性差异会给局部区域带来很强质量扩散热流,使总热流发生跳变,给传感器热流测量带来不可忽视的误差;2)材料催化特性差异越大,热流跳变量越大,某些条件下时,局部热流值将远远高于全表面FCW模拟的结果,其影响量可达100%以上;3)本文计算条件下,飞行马赫数越大、飞行高度越低,催化特性差异的影响越大;4)催化特性差异带来的影响还与飞行攻角、飞行器表面温度等因素存在一定关联,在催化复合系数相同情况下,表面温度越高,影响量越大。     

进入火星大气的高温真实气体效应与气动加热研究

针对火星和地球大气分子热力学和化学行为的差异性，采用理论分析和数值模拟两种手段，研究探测器进入过程高超声速流动的分子振动激发、离解反应及热力学和化学非平衡等真实气体效应，获得不同气体模型条件下的高超声速气动加热规律，探究引起地火差异的根本原因。分析认为，探测器进入火星大气层的稀薄气体效应明显；激波层内发生CO 2气体为主的大规模离解，在极高温环境下O 2和CO也将离解；沿进入轨道的高超声速流动基本处于化学非平衡但热力学平衡状态；激波层内能量储存和分配模式因分子振动激发和化学反应而改变，分子振动激发会增强气动加热量，但均介于化学反应模型的完全非催化和完全催化壁结果之间；相同来流条件下CO 2介质高超声速气动加热强于空气介质，但真实的火星进入热载荷因大气稀薄而弱于地球再入环境。相关研究为我国未来火星探测器热防护系统设计提供技术支持。     

飞行参数对导弹发动机羽流的影响

对导弹发动机在不同飞行条件下的羽流进行数值模拟,得到飞行参数对导弹发动机羽流的影响规律,为载机挂点设计和制定发射边界提供了相应的理论依据。计算结果表明,在相同飞行马赫数下随飞行高度的增加,导弹羽流边界随之增加：在相同飞行高度下随飞行马赫数的增加,导弹羽流边界随之减小,同时导弹羽流结构也随飞行奈件变化而有很大的不同。数值模拟与地面试验结果一致,计算具有较高的可信度。     

考虑高空粘性干扰效应的乘波体气动性能工程预测方法研究

粘性干扰效应是飞行器在高空、高马赫数飞行状态下所面临的诸多重要物理效应之一,对飞行器在这一区段飞行时的气动性能有着极其重要的影响.本文基于粘性干扰理论,结合参考温度方法提出了一种能够考虑粘性干扰效应的高超声速乘波体气动性能的工程预测方法,克服了传统工程预测方法不能计及粘性干扰效应的不足.文中对该方法的合理性进行了理论分析,并在飞行高度30～70km,飞行马赫数15～20范围内,通过本文提出的方法与传统工程方法以及计算流体力学(CFD)方法计算结果的比较,验证了本文所提出的方法的有效性.     

可变形翼导弹动态气动特性的仿真研究

导弹发射后,飞行高度从近地面到高空域,气压、温度变化巨大,同时飞行马赫数也从低速到超声速、高超声速。在不同飞行阶段稳定性能和升阻比需求不同,对导弹气动性能要求不同。固定外形导弹的气动性能难以适用于不同的飞行任务,而可变形翼导弹通过改变翼面的形状,实现外形上的变化,从而适应不同的作战环境。通过分析可变形收缩弹翼不同收缩速度(快速、中速、慢速3种状态)的气动性能,研究了导弹气动性能随弹翼收缩速度变化的规律,揭示了升力系数和阻力系数随弹翼的收缩速率的线性变化特征。同时还分析了变形前后导弹附近流场的压强、速度和温度的变化,以及这些物理量对导弹的影响。结果表明,伸缩翼改变了翼面面积和展弦比,弹翼伸长时具有高升阻力,适合亚声速巡航,弹翼收缩可以减小高马赫数飞行时阻力,提高导弹射程。     

采用分布式压电驱动器的翼面热颤振主动抑制

高超声速气动加热会严重影响飞行器结构的颤振特性,本文开展了采用分布式压电驱动器的热颤振主动抑制方法研究。以某飞行器小展弦比翼面为研究对象,进行了常温和热载荷边界条件下的结构振动和颤振分析。在此基础上,对频域非定常气动力进行有理函数拟合,建立包含压电驱动器的翼面耦合结构系统状态空间形式的运动方程;对典型热载荷边界条件下的被控对象设计颤振主动抑制控制律,分别设计出LQG及PID控制器;对比分析了系统开、闭环颤振特性。结果表明,通过主动控制律的实施,达到了热颤振主动抑制的目的,验证了这种颤振主动抑制方法的有效性     

机动再入飞行器自适应飞行控制系统设计

研究机动再入飞行器的制导控制问题。为了解决机动再入飞行器气动系数变化范围大、气动耦合严重和气动参数非线性过零常值大等恶劣条件下的控制，并且能充分利用飞行器可测量信息提高系统自适应能力，本文提出了状态方程参数辨识－－极点配置－－前馈补偿自适应控制的飞行控制系统的设计方法。通过对新型号再入飞行器的制导系统仿真，可以看出该控制系统使其有很好的飞行性能。     

EXPERT: An atmospheric re-entry test-bed

In recognition of the importance of an independent European access to the International Space Station (ISS) and in preparation for the future needs of exploration missions, ESA is conducting parallel activities to generate flight data using atmospheric re-entry test-beds and to identify vehicle design solutions for human and cargo transportation vehicles serving the ISS and beyond. The EXPERT (European eXPErimental Re-entry Test-bed) vehicle represents the major on-going development in the first class of activities. Its results may also benefit in due time scientific missions to planets with an atmosphere and future reusable launcher programmes.

The objective of EXPERT is to provide a test-bed for the validation of aerothermodynamics models, codes and ground test facilities in a representative flight environment, to improve the understanding of issues related to analysis, testing and extrapolation to flight. The vehicle will be launched on a sub-orbital trajectory using a Volna missile. The EXPERT concept is based on a symmetrical re-entry capsule whose shape is composed of simple geometrical elements. The suborbital trajectory will reach 120 km altitude and a re-entry velocity of . The dimensions of the capsule are 1.6 m high and 1.3 m diameter; the overall mass is in the range of , depending upon the mission parameters and the payload/instrumentation complement. A consistent number of scientific experiments are foreseen on-board, from innovative air data system to shock wave/boundary layer interaction, from sharp hot structures characterisation to natural and induced regime transition.

Currently the project is approaching completion of the phase B, with Alenia Spazio leading the industrial team and CIRA coordinating the scientific payload development under ESA contract.     

飞行器合理传递参数的解法

本文基于矢量矩阵分析法,建立了含气动、结构和飞行参数及其偏量的数学模型,它可用来分析飞行器的合理传递参数。按此方法不仅可以同时调整若干设计参数,而且还可简化计算机辅助设计的程序。为选择合理传递参数,列出了设计参数的调整准则。 取用动态因子和转换因子,使所得方法对于正常式、鸭式、旋转弹翼式和弹道式导弹都是适用的。