充气式气动减速器气动特性数值分析

<正>根据"中国火星探测计划"的任务规划,我国预计将在2020年实现火星着陆巡视。要想顺利实现火星探测器的软着陆,精准地掌控从进入大气到着陆的EDL过程至关重要。EDL过程通常分为气动减速、降落伞减速、动力减速和着陆缓冲4个阶段~([1])。在载人飞船返回再入过程中,返回舱的大钝角锥形结构与大气层中的气体介质作用可产生与运动方向相反的气动阻力,以实现从地球再入速度至开伞速度的转变,此即为气动减速阶段~([2]),该阶段所完成的减速约占整个EDL减速过程的     

火星探测器气动外形/弹道一体化多目标优化

针对火星探测器概念设计阶段的需求,提出了融合气动外形、弹道和开伞条件的一体化多目标优化设计方法。首先建立了火星探测器进入段三自由度弹道运动方程,基于修正牛顿理论推导了适用于具有较大半锥角球锥外形的气动参数估算模型,采用Sutton-Graves公式计算了驻点热流密度。以开伞高度、总吸热量和容积率为目标函数建立了火星探测器气动外形/弹道一体化多目标优化模型,采用基于分解的多目标进化算法(MOEA/D)进行求解计算并与参考设计进行了对比。数值结果表明:多目标优化方法提供多个三目标均优于参考设计的Pareto最优解,为火星探测器的概念设计提供了一定的参考依据。     

环帆伞稳态气动性能研究

<正>降落伞由于具有结构简单、成本较低、减速性能优越和工作可靠性高的特点,被广泛应用于各类有效载荷回收过程中,也是载人飞船回收着陆系统的主要组成部分。环帆伞由于具有充气性能好,开伞动载小,阻力系数大,稳定性好,抗损伤能力强,被广泛应用于航天器的回收着陆中。在回收着陆过程中,降落伞的气动性能对载人飞船的空间运动形式以及最终着陆过程中的速度、姿态有着非常重要的影响。国内外对环帆伞进行了广泛的研究,从理论分析、试     

火星进入器高超声速化学非平衡特性数值计算研究

火星探测活动是当前国际深空探测领域的热点,而探测器的进入、下降和着陆阶段的气动特性预测是关系其布局和热防护系统设计的关键问题之一。针对火星进入器高超声速进入过程,发展了火星环境的高超声速化学非平衡流动数值模拟方法,建立了进入段气动特性的有效预测技术。以探路者号火星进入器防热大底为研究对象,采用5组分6化学反应模型开展典型弹道点上的化学反应流动数值模拟。结果表明:CO_2在激波层内发生较大程度的离解反应,火星进入器高超声速化学非平衡特性显著。因化学反应作用强烈,激波层内热传导所致热流量相对较低,而组分扩散造成的热流量占一定比重,计算所得的驻点总加热量与经验公式吻合良好。火星环境的化学非平衡特性的有效预测可为我国未来火星探测任务提供技术支持。     

火星进入减速器技术综述与展望

随着火星着陆探测任务的不断推进,火星采样返回、载人登陆火星和火星基地等任务要求能将更大、更重的探测器着陆到火星表面,这就需要在火星大气进入阶段进行高效减速。基于以往成功的火星着陆探测任务,首先系统地回顾了火星进入段气动减速技术的发展历史;然后,结合火星进入过程的特点阐述了火星进入段减速设计的必要性及其面临的挑战;接着,系统地总结了充气式气动减速器、可展开式气动减速器和超声速反推减速器的系统构成和研究进展;最后,对这3种减速器技术的未来发展方向和亟待解决的关键问题进行了比较全面的分析和展望。     

欧洲无翼飞船的再人、降落和着陆技术及验证

取消了欧洲有翼载人航天运输系统“赫尔梅斯”计划之后,研完了多种可能的无翼再入飞船方案,用于人员运输、空间站人员救援以及后勤补给任务。飞船结构的复杂性必须在先进性和可能性之间平衡。在欧洲飞船设计中遇到的一项挑战是要求在欧洲大陆精密着陆。本文介绍了无翼再入飞船再入、降落和着陆综合方案的策略。设想的飞船为密封舱型,不具备有翼飞船的横向和机动能力。必须进行适当的技术研究才能满足新型载人航天运输系统对着陆和回收的要求。此外;强度设计以及成本方面的设计必须仔细研究。本文研究了下列问题:着陆场选择敏感性、空气动力学性能、飞行控制定律、气动减速装置特性以及最后的缓冲着陆特性等。在下列方面进行了综合研究,即弹道降落伞与可控翼伞、制动反推火箭与气袋。提出了本方案的技术要求和有关的验证方法,以及总体方案演示程序。     

考虑禁飞圆的滑翔式机动弹道与气动特性参数耦合设计

 为获得滑翔式再入飞行器最佳气动与弹道机动性能,针对规避禁飞圆的远程滑翔式再入问题提出了一种机动弹道与气动特性参数耦合设计方法。耦合设计外环以气动特性参数为设计变量,基于抛物阻力极线模型提取最大升阻比和对应升力系数为气动特性参数;耦合设计内环以泛化升力系数和侧倾角为设计变量,获得给定升阻特性下能规避禁飞圆且满足再入走廊要求的滑翔式再入轨迹。耦合设计问题以再入驻点总热流最小为优化目标,以再入走廊、终端位置和速度为约束,求解满足弹道机动要求且目标函数最小的最佳气动特性参数。提出了一种规避禁飞圆的侧向几何制导逻辑用于内环轨迹设计。仿真算例得出禁飞圆半径越大,需要的滑翔式再入飞行器最大升阻比越大,且再入轨迹刚好能绕过禁飞圆。仿真结果验证了耦合设计方法和侧向制导逻辑的有效性,该方法可为飞行器方案设计时的气动布局选型等工作提供参考。     

开“窗”结构对环帆伞开伞过程影响

随着载荷重量的增加，单伞已无法满足大重量返回舱的安全着陆要求，群伞系统获得关注并成功应用。然而，伞间干扰等问题仍困扰着群伞的设计，新一代载人飞船已经考虑从透气性角度对此进行解决。同时，鉴于群伞开伞过程仿真难度较大，在不改变伞衣构型设计的前提下，采用流固耦合（FSI）方法针对单伞开展不同透气性的环帆伞开伞过程数值模拟，旨在研究开“窗”结构对环帆伞气动性能的影响。结果表明：开“窗”结构对环帆伞开伞过程中的外形变化有较小影响，开“窗”前后的伞衣投影面积与名义面积比变化最大不超过15%；对于不同的开“窗”位置和数量，平衡平均阻力系数、开伞动载系数及阻力系数波动三者的最佳选择为帆5位置和25%数量；采用开“窗”结构后的环帆伞最大摆角至少减小5°，且减小幅度随着开“窗”数量的增加而增大，但与开“窗”位置之间并无明显规律。     

有限质量情况下降落伞开伞过程数值仿真研究(英文)

为了模拟降落伞减速系统在有限质量情况下的三维动态开伞过程,以典型平面圆形伞C9伞为例,采用LS-DYNA基于有限元理论的ALE流固耦合方法对其充气至稳降过程进行研究,并用空投试验验证计算结果。计算获得了结构、流场动态变化,还获得了反映减速特性的载荷速度、加速度变化情况,分析了降落伞工作过程中危险截面、过载及外形之间的对应关系。研究结果表明:ALE法能够预测伞衣展开过程中减速特性以及危险截面,数值结果反映了实际工作过程的一般规律。     

吸气式重复使用运载器设计初步研究

分析了国内外吸气式可重复使用天地往返运载器的研究现状,在此基础上提出了一个水平起飞和着陆的单级吸气式运载器方案.采用Euler方程数值解法Dahlem-Buck公式和切楔法对该方案气动布局的亚、跨、超、高超音速气动特性进行了计算分析,由结果可见建立的气动布局可以满足总体方案设想中飞行任务的要求.对该方案拟采用的火箭基组合循环发动机(RBCC)进行了详细分析和性能计算,并在此基础上对该方案的飞行弹道进行了计算分析,通过与采用纯火箭发动机动力的天地往返运载器的飞行弹道对比表明,该方案能明显减小运载器的燃料消耗.     

火星大气高温光谱建模与非平衡辐射热流预测

火星科学实验室成功着陆后的热环境重构数据表明，气动辐射加热在火星进入防热设计中具有不同于以往认识的重要影响，未知机制和模型不确定性等问题有待进一步研究。探测器高速进入火星大气产生极高温非平衡气动环境，造成火星气动辐射与常规CO₂红外辐射研究显著不同。针对火星大气高温光谱和辐射热流预测，首先，建立适用于火星大气的高温非平衡光谱辐射模型，获得典型高温条件CO₂光谱结构和辐射强度，与NASA和JAXA试验结果对比，结果显示符合较好。其次，依靠激波管和发射光谱测量技术，开展典型进入条件的辐射强度测量试验，数值结果、试验值和NASA试验结果相互符合较好，验证了光谱模型。最后，对探路者号进行气动辐射加热分析，完成典型进入条件下的非平衡流动和辐射特性计算，基于光线法得到光谱辐射强度沿驻点线的变化，表明高速与低速条件的气动辐射机制存在显著差异；基于有限体积法获得进入器表面辐射热流分布，结果显示辐射热流的分布及变化规律与地球再入显著不同，进入速度6 km/s以下时辐射热流随进入速度增加而减小，同时进入器锥身及肩部的辐射热流高于驻点区域。     

欧洲返回舱CTV气动特性综述

研究分析了欧洲航天局天地往返运输系统之载人飞船返回舱CTV的气动特性，并与第一代联盟号飞船返回舱的气动特性作了对比研究。该返回舱为钝双锥外形，与联盟号飞船返回舱相比，它具有升阻比高、机动性强、稳定性好等特点。本文还对两类返回舱的气动热特性、防热材料重量、飞行弹道及通讯中断问题进行了对比分析研究。     

升力体式浮升混合飞艇设计及参数分析

升力体式浮升混合飞艇将艇体设计为具有较大升阻比的气动外形,升力由静浮力和气动力共同提供,适用于复杂地形下的大载重运输。控制速度和迎角的变化可有效控制动升力的大小,矢量推进系统的增加共同提高了飞艇的可控性,气垫着陆系统(ACLS)有效降低了地面保障系统的复杂度。多项系统的有效集成对总体设计提出较高的要求,通过重量平衡和推阻平衡的关系,对浮升混合飞艇进行了总体设计,分析了浮重比、巡航速度等参数对于总体性能的影响规律,同时研究了浮升飞艇气动性能、总体飞行性能和经济性能,为后续详细设计和有效控制方法的研究提供基础。     

火星科学实验室进入舱防热材料的发展及相关气动热试验

简要回顾了人类火星探测并成功着陆火星的历史,对火星的基本情况及进入环境进行了介绍。对火星科学实验室项目情况、飞向火星的过程及进入气动热环境进行了描述。详细介绍了火星科学实验室进入舱防热材料的发展及相关气动热试验。     

火星进入器高空稀薄气动特性

针对火星稀薄大气环境进入器气动特性问题,以类火星科学实验室外形为例,计算分析火星稀薄大气真实气体效应对气动特性的影响,给出火星高空稀薄环境下的气动特性规律。研究发现,随着飞行高度的增加,稀薄度增加,激波脱体距离、激波厚度增大,激波强度减弱,明显的激波结构逐渐消失,流场等值线更趋于圆弧状分布;真实气体效应使得迎风面压缩及背风面膨胀增强,轴向力、法向力及顶点力矩系数等预测结果与完全气体模型预测结果相比绝对值偏大;随着稀薄度增大,轴向力、法向力及顶点力矩系数等绝对值增大,在同样的迎角下,随稀薄度的增加,纵向压心前移,进入器的静稳定性变差。     

缝翼结构参数对翼型流场和气动噪声的影响

缝翼气动噪声很大程度地依赖于其结构参数。分析其结构参数对翼型流场及其气动噪声特性的影响,是研究缝翼噪声抑制方法的有效途径。首先,基于典型三段翼型30P-30N,建立流场分析模型,并利用雷诺平均(RANS)和大涡模拟(LES)方法,分别对具有典型缝翼几何位置及外形特征的翼型进行稳态和瞬态流场特性分析;其次,利用FW-H声类比积分法求解远场噪声分布特性,并研究对比不同缝翼结构参数对远场声压级强度及其指向性分布特性的影响规律;最后,针对不同的缝翼结构参数,分析讨论缝翼噪声抑制与相应翼型升力变化的耦合关系。结果表明:缝翼几何位置和结构变形参数的调整均可有效降低远场噪声辐射,但是在攻角增大的情况下升力系数会有一定程度的降低。     

耐高温复合材料在火星探测器着陆器减速伞筒盖结构上的应用

针对火星探测器着陆巡视器减速伞筒盖结构在轨运行耐温度交变、辐照等空间环境和再入过程耐温度冲击性能需求,重点开展了筒盖复合材料耐温匹配性、力学性能、耐空间环境性能以及制件成型工艺研究。结果表明,选用J-168-1胶黏剂、J-245胶黏剂及T300/QY8911复合材料制备的试件通过各项性能试验考核,均能满足筒盖结构的设计指标要求。筒盖产品力学性能稳定,成型工艺可行性良好,最高瞬时使用温度可达200℃,经历空间环境模拟后力学性能保持率均在80%以上,耐高温、耐空间环境性良好。产品已成功装星发射,并在着陆巡视器落火阶段成功弹出分离,圆满完成使命。     

基于LBM-LES方法两栖水翼航行器水动特性分析

目前,国内外对于两栖航行器气动/水动特性的研究仍处于探索与发展阶段。结合鱼雷及水翼船的特点,提出一种通过改变外形实现水下、水面航行的新型两栖水翼航行器。基于LBM-LES方法对航行器水动特性进行数值仿真,得到航行器在水下、水面航行时的升力、阻力曲线。结果表明:在水下航行时,收缩水翼的航行器在较小的迎角范围内阻力较小,适合高速航行;在水面航行时,展开的水翼增大了航行器的升力、减小了阻力;通过改变外形航行器能够满足在水下、水面的航行要求,其外形设计及两栖航行性能还有较大的优化空间。     

冲压翼伞流场与气动操纵特性的数值模拟

采用有限体积法求解shear stress transport(SST) k-ω二方程湍流模型下的Navier-Stokes(N-S)控制方程,对冲压翼伞的气动特性进行数值模拟,分析翼伞的流场机理和气动操纵特性.模拟得到的升阻特性与试验数据较吻合,在此基础上分析前缘切口、弧形下反以及稳定幅对升阻特性的影响.通过软件Fluent实现了非定常流动模拟,研究了翼伞的非定常升力特性,其升力系数的脉动受脱体涡的非定常过程影响,当迎角为16°时,翼伞升力变化周期为0.36s.最后分析了翼伞稳定滑翔阶段的纵向静稳定性,相比于单边后缘下拉方式,通过闭合翼伞一侧进气口实现航向操纵更稳定有效.      

火星探测着陆器气动布局研究

火星探测活动是当前深空探测领域发展的热点,火星探测着陆器进入过程的气动布局问题是火星探测器设计的关键之一。根据国外火星探测器气动布局及地球轨道再入返回舱气动布局,从大气环境和布局形式两个方面出发研究火星探测器的主要气动特点,基于工程算法讨论了探测器所处大气环境及其布局形式对其高超声速升阻特性、配平特性及静稳定性的影响规律。大气环境分析表明,在高超声速进入条件下,火星大气热力学性质的改变,会改变高超声速气动力的大小和分布,会增加探测器的升阻力系数,对探测器的升阻比和配平特性影响很小,略提高飞行静稳定性。布局形式分析认为,球锥布局的防热大底较球冠布局具有更大的气动阻力,有利于着陆器减速,且较小的法向偏移量可实现足够的配平需求;球锥布局俯仰静稳定度对轴向的敏感度较低,也是探测器从气动考虑选用球锥布局的原因。相关研究结论可为火星探测着陆器的气动布局设计提供理论参考和技术支持。