空间碎片再入烧蚀预测与地面安全评估软件系统

再人航天器解体产生的空间碎片在高速气体加热作用下发生烧蚀,残存碎片对地面造成很大威胁.开发空间碎片再入烧蚀预测与地面安全评估软件系统(DRAPS),建立碎片三自由度(3DOF)弹道模型,在连续流,自由分子流和过渡区流分别采用牛顿流模型、无碰撞分子动理论和桥函数方法进行碎片气动力/气动热预测,利用零维或一维热传导模型模拟...     

A low risk reentry: looking backward to step forward

Low risk reentry vehicles, as recently proposed, may represent the right answer for the future demands of space exploration, Space Station operations, and space tourism. In this paper the low risk features of sharp reentry vehicles are discussed. In particular, the concept of boundary layer thermal protection is illustrated with reference to a three-dimensional nose-cone geometry. The flow field around the fuselage tip is found by Computational Fluid Dynamics (CFD) calculations. The critical aerothermal conditions in the velocity-altitude plane are identified, in terms of the highest temperature surface points that belong to the Thermal Protection System (TPS) (i.e. the stagnation point of the fuselage tip) and to the structural material (i.e. the point at the junction of the TPS with the structure). Typical reentry trajectories for a concept vehicle are computed according to this new descent philosophy, which comply with thermal boundaries. The influence of the chosen aerodynamic solutions on reentry heating and on downranges and crossranges is then discussed.     

LENS风洞试验返回器模型气动热特性模拟

国家数值风洞高超声速流动模拟软件HyFLOW的研制对打破国外同类软件的技术壁垒具有重要意义。与国外DPLR软件进行了对比研究，同时系统介绍了HyFLOW软件求解器的数值方法、物理化学模型以及壁面催化特性计算模型等主要方法，采用典型算例对有限催化模型进行了数值验证，最后基于LENS风洞试验146 mm返回器标模外形开展了高超声速气动热特性数值模拟。研究结果表明，HyFLOW软件在高超声速热化学非平衡流动模拟与评估方面的气动力计算精度高，与国外同类软件DPLR相当，同时其壁面催化条件下的气动热计算精度可靠，可信度高。     

超低轨航天器气动特性快速预测的试验粒子Monte Carlo方法

超低轨(LEO)卫星气动特性的快速准确计算是对其进行轨道预测和控制的关键输入条件。基于真空技术领域中计算管道分子流率的试验粒子Monte Carlo(TPMC)方法,结合自由分子流理论,发展了一套快速准确预测低轨卫星气动特性的TPMC方法,给出了其模拟步骤及主要关键技术点,并采用该方法模拟了带电池翼超低轨卫星的气动特性和航天器典型构件之间的多次反射效应。结果表明:TPMC方法在计算超低轨航天器气动力、力矩时具有较高的可靠性和对工程复杂外形的适用性;该方法能够准确模拟自由分子流理论无法求解的多次反射问题,给出正确的气动力系数;该方法的计算速度比直接模拟Monte Carlo(DSMC)快3~4个量级,存储量要求也比后者低1~2个量级,是超低轨航天器气动特性快速准确预测的一个理想方法。     

一种跳跃式返回再入的预测—校正制导方法

再入地球大气是探月飞船返回的关键阶段,再入制导是返回再入中的难点问题.飞船跳跃式再入过程复杂,标准轨道制导方法难以满足任务要求,因此具有高精度和强鲁棒性的预测—校正制导方法成为解决问题的首选.以探月飞船跳跃式再入为背景,设计了数值预测—校正制导律,研究了基于嵌套式积分算法的航程快速预报方法和基于有界试位法的倾侧角剖面快速更新算法,提出了一种气动系数误差和大气密度误差的在线参数辨识方法,并基于最大偏差法和蒙特卡洛打靶法进行了仿真分析.结果表明,预测—校正再入制导方法在跳跃式再入问题上具有较高的精度和较好的鲁棒性.5 000 km再入航程时,开伞点误差在2.5 km以内.     

基于地外天体起飞的真空羽流导流技术仿真与试验研究

针对着航天器发动机羽流导流问题,基于工程经验提出了四种典型导流装置型面(包含内凹槽形式和导流锥形式等),利用计算流体动力学/直接模拟蒙特卡罗(CFD/DSMC)耦合方法,对起飞过程中羽流导流带来的气动力和气动热效应进行了数值模拟,并对不同导流装置情况下羽流场激波、航天器表面压强和热流密度分布规律进行了分析,给出了四种导流装置的导流效果评价。最后以导流锥形式开展试验,对仿真算法进行了验证。结果表明：羽流导流并没有导致发动机燃烧不稳定;综合考虑航天器羽流和发动机安全性,大导流锥导流的方案最优;在导流锥附近的激波位置及形态和仿真一致,仿真与试验的变化趋势一致,仿真算法可信,数据规律可以作为工程参考。     

NNW-HyFLOW高超声速流动模拟软件框架设计

NNW-HyFLOW在国家数值风洞（NNW）工程支持下,由风雷开源软件提供基础框架支撑,将建设成为基于结构/非结构混合网格,面向高超声速应用领域的国产自主工业CFD软件,具备高温气体热化学非平衡效应模拟及其相关气动力、气动热和气动物理特性计算分析等主要特色功能。本文从框架设计、数据结构、耦合方法、并行计算方法以及接口设计等方面对软件设计思想和框架特点进行了介绍,给出了求解器采用的理论模型、核心数值算法及其实现方法,结合HEG风洞试验、RAM-C飞行试验、Electre飞行试验以及航天飞机OV102飞行试验等典型算例开展了数值模拟。研究表明：NNW-HyFLOW具有底层代码复用、功能兼容性好、扩展能力强和接口灵活等优点,其当前测试版本已经具备了较好的高超声速非平衡流动数值模拟能力,在热化学非平衡效应及其影响的气动力特性、气动热环境和等离子体分布特性预测与评估方面,具有较高的数值计算精准度,初步满足了高超声速复杂飞行器高温非平衡流动数值模拟的需求。     

Control of approach and landing phase for reentry vehicle using fuzzy logic

The reentry vehicle is affected by various disturbances such as a wind gust, atmospheric condition or aerodynamic problems in the approach and landing phase. Therefore it is necessary to design a robust control scheme. This paper presents a control scheme using Mamdani fuzzy PD controller. In this paper, the reference trajectories are generated using geometric parameters for disturbed circumstances with 4 cases: nominal, headwind and tailwind, drag increased case. Then, a Mamdani fuzzy PD controller was designed in this study. Twenty-five rules were applied in the knowledge-based system. The max–min method for a fuzzy inference system and the center-of-mass method in defuzzification were used. Finally, guidance and control simulations are performed for verification of proposed controller using generated reference trajectories. In addition, the Monte Carlo simulation is performed considering various disturbances. The results show that proposed Mamdani fuzzy PD controller has reliability and robustness for control of reentry vehicle with wind disturbance in the approach and landing phases.     

Multiple hypothesis track confirmation for infrared surveillancesystems

An overall methodology is described for the application of a multiple hypothesis tracking (MHT) algorithm to the infrared (IR) surveillance system problem of establishing tracks on dim targets in a heavy clutter or false alarm background. The authors discuss the manner in which the detection and tracking systems are jointly designed to optimize performance. They present approximate methods that can conveniently be used for preliminary system design and performance prediction. They discuss the use of a detailed Monte Carlo simulation for final system evaluation and present results illustrating the proposed methods and comparing predicted and simulation performance     

Probabilistic transient thermal analysis of an atmospheric reentry vehicle structure

Thermal analysis plays an important role in the structural design of atmospheric reentry vehicles, which are subjected to severe aerodynamic heating. It is sometimes difficult to assess the design safety margin because of uncertainties in the predicted heat flux and the material properties used in the thermal analyses. However, probabilistic techniques allow the effects of uncertainties to be analyzed, and the present study demonstrates the probabilistic thermal analysis of the PARTT reentry vehicle using the Monte Carlo technique to investigate the probabilistic temperature responses. The temperature responses were found to depend significantly on time and location, and reliability was predicted at all locations. The peak temperature of the vehicle's main structure was found to be strongly correlated with heat shield temperature, and analysis of the contributions of random parameters showed that heat flux and heat shield emissivity significantly affect the peak temperature. These results indicate that the thermal design of the heat shield shell is very important for the whole structure. It is expected that such information will provide good insight for the design of a reentry vehicle's structure.     

高超声速升力体气动力气动热数值计算

升力体气动布局，由于其良好的高超声速气动特性、有效的内部空间和有益的防热特性，越来越受到气动工作者的重视，本文应用张涵信院士的NND格式思想，用数值模拟的方法对类似于美国X－33的升力体外形进行了气动力、气动热研究。特别是在粘性项的离散和表面热流率的计算中应用了散度和梯度的积分定义，避免了数值计算的奇异性，保证了通量守恒，提高了计算效率。结果表明气动热计算结果与美国同类飞行器结果接近，驻点热流率与经典理论结果一致。     

气动热数值模拟中的网格相关性及收敛

针对气动热数值模拟中的网格相关性和收敛问题,采用计算流体力学(CFD)计算方法,以典型的钝头为算例,进行了数值模拟研究。研究结果表明:网格是气动热数值模拟中的关键因素,壁面附近法向网格间距最为敏感,热流结果随网格间距不同会出现数倍乃至数量级的差异,在得出正确的壁面压力结果的网格上不能保证得到正确的热流结果。分析认为壁面附近客观存在的巨大温度梯度是网格要求敏感的原因。计算表明:气动热计算的收敛过程比压力和流场收敛慢得多;在压力和流场完全收敛时,热流与最终的迭代收敛值偏差达20%以上;以方程残值的下降量级和压力收敛作为热流收敛的判别标准是不合适的。在气动热计算中,应直接观察热流数据的收敛,确保得到真正的收敛解。     

有翼高超声速再入飞行器气动设计难点问题

有翼高超声速再入飞行器是近年来的研究热点,气动设计是飞行器设计的关键。为了更清楚地认识有翼高超声速再入飞行器气动设计的难点问题,对有翼高超声速再入飞行器的发展、优势及总体任务剖面进行了介绍,从5个方面详细介绍了该类飞行器气动设计的难点问题,包括多约束复杂面对称气动布局设计、高温真实气体效应对气动特性影响、天地差异与天地换算方法、反作用控制系统(RCS)喷流干扰对气动特性的影响以及气动数据不确定度等,简要阐明了这些难点问题对总体设计的重要性以及初步的解决思路,为有翼高超声速再入飞行器气动设计提供了一些参考。     

乘波体构形的一种热防护方案

对乘波体构形气动力与气动热的折衷设计进行讨论。通过分析乘波体构形与传统高超声速外形所处流场的差异以及壁面催化和流动状态对两种外形的气动热环境的不同影响,结合当前的材料与热防护技术,考查乘波体构形在基本保证气动力设计要求的基础上将前缘钝化后采用可重复使用热防护方法如辐射等进行长时间高超声速飞行的可能性。采用无粘-边界层方法计算了一个乘波体的折衷外形所受的气动热环境,在此基础上对外形作气动热防护分析。结果显示,乘波体构形进行气动力与气动热折衷设计后,是可以满足进行长时间高超声速飞行要求的。     

再入飞行器烧蚀热防护一体化计算方法

针对再入飞行器烧蚀热防护系统烧蚀与瞬态温度耦合响应预测问题,提出了一体化计算方法,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供包括气动热、烧蚀后退、瞬态温度响应在内的动态响应预测依据。该方法采用Sutton-Graves和Tauber-Sutton理论计算驻点的对流热流和辐射热流,通过表面能量平衡整合具有较高精度的烧蚀模型,并通过Landau变换简化烧蚀后退带来的节点删除过程并保证空间离散精度,最后求解瞬态有限差分热传导方程获得烧蚀热防护系统的热环境、烧蚀过程和温度响应。通过对比计算碳-碳材料钝头体地球再入过程和酚醛浸渍基碳烧蚀体（PICA）材料电弧风洞烧蚀模拟,对该方法对于不同材料体系的适用性进行了验证。计算结果表明：对于密度较高的碳-碳材料,本文计算结果与经典的热平衡积分法吻合较好,偏差在7%以内;而对于低密度材料（如烧蚀性能对压力高度敏感的PICA材料）,随着热流和压力的增大,预测偏差逐渐增大。所提出的方法实现了气动热、烧蚀、瞬态温度响应耦合过程的一体化计算,在保证精度的前提下实现快速计算分析,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供依据。     

轴流压气机非设计点性能计算

采用流线曲率法数学模型,结合跨声速轴流压气机的内部流场特征,拓展了一种非设计点特性计算方法.该方法基于近年来的国内外研究进展,考虑了非设计点工况下影响落后角及损失的诸多因素.对轴流跨声速压气机NASA(National Aeronautics and Space Administration)TP1669进行了数值计算,得到了展向参数分布和全工况下性能曲线,通过与实验值的对比和分析证明该方法和模型是可行的,可为压气机设计和优化提供参考.      

GLAST

A proposal for a new high energy gamma-ray space based detector using silicon strip technology is discussed. The detector is called GLAST for Gamma-ray Large Area Space Telescope. Results from Monte Carlo simulations are presented. The projected physics capabilities of GLAST are discussed in comparison to EGRET, currently in orbit on CGRO. Connections to the ground based gamma-ray observation program are explored.     

一种减小再入飞行器侧向气动非线性的布局优化方法

为改善升力式再入飞行器在跨声速段出现的侧向气动特性非线性问题,发展了一种基于Kriging代理模型的自适应迭代气动布局优化方法。设计了一种常规升力式再入飞行器布局,计算了该布局在跨声速段的侧向气动力,分析了可能影响侧向气动特性的机翼布局参数。根据气动布局优化流程,计算了气动布局样本气动特性,建立了布局参数到侧向力矩系数导数的代理模型,完成了以减小飞行器侧向非线性为目标的布局优化设计。优化布局的气动特性计算结果表明,所发展的方法是可行和有效的。该项研究为再入飞行器减小侧向气动非线性提供了新的布局设计途径,有利于降低控制系统设计难度,保障飞行安全。     

一种基于结构化贴体网格的DSMC方法研究

基于DSMC方法,发展了一种结构化的贴体网格的分子运动轨迹跟踪和定位的方法———网格面法向量判断法。在此基础上建立了一套DSMC数值模拟程序,对球双锥和Apollo飞船在过渡区域流动进行了数值模拟,并分析了其过渡区域超音速、高超音速的气动力、气动热等问题。通过将本文的计算结果与参考文献的计算结果和实验结果进行了比较,验证了所发展的方法的可靠性。     

稀薄大气下机械展开式再入飞行器气动特性研究

以机械展开式再入飞行器为研究对象,采用DSMC(直接蒙特卡洛模拟)方法计算分析了其在稀薄大气环境下的气动特性.讨论了飞行器在不同高度下的流场特性和升阻及配平特性,结果表明飞行器流场及受力特性对大气稀薄程度显示出较强的敏感性;进一步分析了连续流过渡至稀薄大气下飞行器的阻力系数,得出了随着来流Knudsen数增加,大气稀薄效应逐渐显现,传统的CFD方法已不再适用于描述流动特征的结论,同时给出了依据来流Knudsen数大小采取CFD和DSMC方法分别进行计算分析的建议.