火星大气模型参数对MSL气动特性的影响

火星大气与地球大气截然不同,飞行器在进入火星时气动特性不同于地球再入. 大气模型的差异主要表现为气体组份、密度和温度等物理参数. 针对火星进入器MSL在进入-下降-着陆过程中的高超声速进入段,利用三维并行程序求解耦合真实气体模型的流体动力学Navier-Stokes方程,分析MSL进入火星大气时大气模型参数对进入器气动特性的影响. 结果表明,通过与海盗号飞行数据的对比,验证了所采用的火星气体模型和计算方法,且其与NASA的 LAURA代码气动特性计算结果也较为一致;大气模型气体性质,即CO₂环境对进入器阻力系数和俯仰力矩系数影响较大,利用空气得到的计算和实验数据必须考虑CO₂效应;密度增大促进了化学非平衡效应,但对进入器气动特性基本没有影响;温度升高大大增强了化学非平衡效应,而对进入器气动特性影响较小.      

"极地登陆火星探测器"无影无踪

继1999年9月23日,美国"火星气候轨道器"在即将进入预定轨道前烧毁后,原定同年12月3日在火星着陆的"极地登陆火星探测器"也下落不明.美国航宇局2000年1月18日宣布,放弃寻找和回收"极地登陆火星探测器"的努力.至此,美国这一轮火星探测计划宣告彻底失败.     

萤火一号火星探测器轨道设计与科学探测事件分析

针对萤火一号火星探测器在2011年发射窗口的轨道进行初步设计.在此基础上,分析了萤火一号火星探测器绕火星飞行的轨道特性,预报其穿越火星弓激波和磁堆积区域、CCD相机拍照时刻,其与深空站进行星-地掩星试验和与俄罗斯Phobos-Grunt火星探测器进行星-星掩星试验的时刻.结果表明,萤火一号火星探测器在与俄罗斯Phobos-Grunt分离后一年的环火飞行时间里,存在大量的科学探测机会.     

备受青睐的火星探测——著名火星探测器一瞥

率先在火星着陆的『海盗』 "海盗"是美国早期发射的火星探测器,是"水手"探测器的改进型,是世界第1个在火星着陆的探测器.1975年8月20日和9月9日,美国分别发射了海盗1号和海盗2号探测器.     

欧洲科学家在火星上找到猎兔犬-2探测器

据2005年12月20日消息，欧洲航天局的科学家们在火星表面找到了2年前丢失的猎兔犬-2火星探测器。2003年12月19日，猎兔犬-2火星探测器与“火星快车”探测器成功分离，但是之后并没有发回是否成功着陆火星表面的信息，也没有向地球传输任何联系信号。     

备受青睐的火星探测

火星是与地球最相似的行星,因此是目前除地球以外人类研究程度最高的行星。截止到2007年8月8日,人类共发射了38个火星探测器,其中美国18个、苏联17个、俄罗斯1个、日本1个、欧洲1个。总共有18个探测器成功对火星进行了探测,其中5个飞越火星,7个进入火星轨道探测,6个在火星着陆。目前,在火星轨道上有3个探测器在工作,在火星表面有2辆火星车在工作,还有1个火星着陆器正飞往火星。     

升力式火星探测器进入轨迹优化设计仿真

针对升力式火星探测器在其完成星际转移轨道之后,由预定进入点开始反冲制动改变运行轨道进入火星大气,设计并仿真了进入段的轨迹优化。根据火星的大气密度及引力场参数,建立相应的火星大气模型及引力场模型,确定了升力式火星探测器的运动方程。在满足进入过程的约束条件下,采用遗传算法对进入轨道进行优化设计,提出不同的推力发动机制动方案并进行分析比较。结果表明,采用推力方案二能够实现性能指标最优,并求得着陆速度为136m/s,最终实现了探测器在火星表面的软着陆。     

基于阻力跟踪的火星大气进入段非线性预测制导律设计

针对火星探测任务大气进入段的高精度着陆问题,提出一种基于阻力跟踪的非线性预测制导策略。基于火星探测器大气进入段的三维运动模型,综合考虑探测器气动参数摄动、火星大气密度摄动、外部扰动以及进入时刻状态初值不确定性,设计了基于优化思想的非线性预测制导律,并对所提出的制导方法进行仿真验证。仿真结果表明:非线性预测制导律在满足控制约束的条件下可以获得较高的着陆精度。     

凤凰号在火星极区着陆

在经历了6.8×108km航行之后,美国东部时间2008年5月25日19:53,美国凤凰号(Phoenix)火星探测器在火星北极成功着陆,着陆地点设在纬度同地球格陵兰或阿拉斯加洲北部相当的广阔浅谷.成功着陆后,质量350kg的凤凰号在原地等候了15min,等着陆时掀起的尘埃落定后,展开了太阳电池翼,并于2h后传回第1批图片,其中1张显示探测器1条"腿"站立在火星表面,另1张显示太阳电池翼已经展开,以及几张火星北极表面的清晰图片.5月27日,传回了它记录的第1份火星天气报告.     

火星尘埃与探测

火星表面尘埃与太阳辐射、热辐射的相互作用直接影响火星大气的结构、热平衡和动力学过程,并会产生改变火星表面反照率和火星地貌的长期效应.火星尘埃环境还对登陆于火星表面的着陆器能源系统和光学载荷等系统构成影响.为此需开展火星大气尘埃的直接就位探测.在介绍了火星的尘埃特性与主要探测方法基础上,提出了采用微质量计技术开展火星表面尘埃就位探测的综合探测器方案.探测器包含3种传感器.尘埃累积传感器通过设置其敏感晶体表面朝上,可以探测火星表面尘埃的沉积质量与速率;荷电尘埃传感器通过加置不同极性的偏置电压,可以探测荷正电尘埃和荷负电尘埃的累积特性;磁尘传感器通过在敏感晶体后加设小型永久磁铁,可以探测磁性尘埃的累积特性.传感器感测质量范围为10^-11~10^-4g.火星尘埃综合探测器可应用于未来的火星着陆探测计划.     

太阳活动高年期间(1978—1981)耀斑-行星际激波传播的三维平均特性——日本行星际闪烁(IPS)观测的初步分析

文中通过对行星际激波传播的动力学效应的考虑,根据日本的IPS观测资料,对太阳活动高年期间85个耀斑-IPS激波事件进行了统计研究.结果表明:(1)激波的传播相对耀斑法线方向是非对称传播.传播最快的方向,就经度而言趋向行星际螺旋形磁场方向;就纬度而言很接近在此事件期间日球电流片的平均纬度.(2)传播的纬度范围(-60°— +40°)远比传播的经度范围(<—90°—+90°)小.(3)激波的能量分布有明显的东-西、南-北不对称性,它决定了激波传播的非对称特性.所研究的85个耀斑-激波的平均能量～2.7×1031尔格(单位立体角).上述结果与我们分析美国圣地亚哥IPS观测所得结果基本一致[3].      

喷管分离流动及其侧向载荷

利用商业软件CFX对某液体火箭大面积比喷管地面条件下的分离流动进行了三维数值模拟.计算获得了喷管入口总压从8MPa减小到1MPa时的流场参数分布和侧向力载荷情况.结果表明,随着入口总压的降低,喷管内流场会依次经历自由激波分离和受限激波分离两种分离激波模态.受限激波分离模态下喷管壁面压强具有较大波动,再附着点压强甚至高于环境压强.流动分离情况下,喷管将受到一定侧向载荷作用,载荷方向随机分布.入口总压为4MPa时计算得到的侧向载荷最大,实际侧向载荷峰值可能出现在自由激波分离与受限激波分离转换瞬间.     

Global Hybrid Simulation of Magnetic Reconnection in the Magnetosheath

A three-dimensional (3-D) global hybrid simulation is carried out for the generation and structure of magnetic reconnection in the magnetosheath due to interaction of an interplanetary Tangential Discontinuity (TD) with the bow shock and magnetosphere. Runs are performed for solar wind TDs possessing different initial half-widths. As the TD propagates through the bow shock toward the magnetopause, it is greatly narrowed by a two-step compression processes, a "shock compression' followed by a subsequent ``convective compression'. In cases with a relatively thin solar wind TD, 3-D patchy reconnection is initiated in the transmitted TD, forming magnetosheath flux ropes. Multiple components of ion particles are present in the velocity distribution in the magnetosheath merging, accompanied by ion heating. For cases with a relatively wide initial TD, a dominant single X-line appears in the subsolar magnetosheath after the transmitted TD is narrowed. A shock analysis is performed for the detailed structure of magnetic reconnection in the magnetosheath. Rotational Discontinuity (RD)/Time-Dependent Intermediate Shock (TDIS) are found to dominate the reconnection layer, which and some weak slow shocks are responsible for the ion heating and acceleration.      

高超声速热化学非平衡对气动热环境影响

高超声速气动加热严重,考虑热化学非平衡对气动热环境影响,可以为热防护系统设计提供有效保障。采用Park和Gupta热化学非平衡模型,数值计算研究5组元(N_2,O_2,N,O,NO),17组化学反应的热化学非平衡效应对高超声速飞行器气动热环境影响,并与完全气体和热化学平衡模型进行对比分析。热化学非平衡模型流场温度及激波距离均比完全气体模型小。激波后气体密度因离解、化学反应而增大,且气体密度越大,激波距离越小,热化学平衡模型激波距离最小。完全气体和热化学平衡模型热流载荷计算值均比实验值偏大。Park和Gupta热化学非平衡模型数值计算激波距离及气动力载荷差别小。Park模型热流载荷计算值偏大,Gupta模型与实验结果相符,它可对气动热环境可靠预测。     

冲击响应谱控制的研究

冲击响应谱模拟比规定冲击脉冲来模拟更接近实际冲击环境.采用迭代算法,用指数衰减正弦函数组合出具有规定的冲击响应谱的瞬态冲击加速度波形,其末加速度,末速度和末位移为零满足实际振动台的需要.探讨了瞬态冲击加速度波形实时控制中传递函数的估算和修正方法,以及驱动数据块的大小对控制精度的影响并给出了解决方法.     

基于刚柔耦合模型的月球着陆器动力学分析

基于刚柔耦合多体动力学理论,提出了一种基于三维实体造型、有限元分析与多体动力学分析的刚柔耦合动力学仿真分析方法;利用该方法建立了月球着陆器着陆动力学模型,分别在地球重力环境和月球重力环境(1/6地球重力环境)下,对某典型着陆工况下的着陆动力学进行了仿真分析,得到了着陆器着陆的缓冲性能分析结果,包括主支柱最大缓冲行程、左右辅助支柱最大缓冲行程、最大质心加速度响应;将仿真结果与试验结果相比较,验证了着陆器动力学模型的正确性以及仿真分析方法的有效性,为今后的着陆器缓冲试验提供了动力学模型和仿真分析方法.从能量角度对月球着陆器的着陆过程进行分析,弥补了缓冲试验难以进行能量分析的不足.     

Dispersive shock waves in partially ionised plasmas

Compressional waves propagating in the partially ionised solar lower atmospheric plasmas can easily steepen into nonlinear waves, including shocks. Here we investigate the effect of weak dispersion generated by Hall currents perpendicular to the ambient magnetic field on the characteristics of shock waves. Our study will also focus on the interplay between weak dispersion and partial ionisation of the plasma. Using a multiple scale technique we derive the governing equation in the form of a Korteweg-de Vries-Burgers equation. The effect of weak dispersion on shock waves is obtained using a perturbation technique. The secular behaviour of second order terms is addressed with the help of a renormalization technique. Our results show that dispersion modifies the characteristics of shock waves and this change is dependent also on the ionisation degree of the plasma. Dispersion can create short lived oscillations in the shocked plasma. The shock fronts become wider with the increase in the number of neutrals in the plasma.     

不同稀释气体下等离子体辅助甲烷点火

等离子体由于可以同时在燃料反应中增加化学效应与热效应,有望成为辅助点火的有效技术途径。构建了基于激波管的等离子体辅助甲烷点火实验系统,测量了甲烷自点火、持续放电以及放电后断电条件下的点火延迟时间,分析了不同稀释气体下等离子体对甲烷点火延迟的缩短效果。构建了等离子体发射光谱测量系统,测量了放电单元中的发射光谱。在实验条件下,点火温度越高,持续放电下活性粒子的浓度越高。较小的放电功率(4 W)即可将甲烷的点火延迟时间缩短30%~95%。稀释气体为Ar时,等离子体在点火温度小于1 000 K或大于1 400 K时对甲烷点火延迟时间缩短作用更好。稀释气体为N2时,随着点火温度的升高,等离子体对甲烷点火延迟时间作用效果随之降低。     

Numerical simulations of water spray on flame deflector during the four-engine rocket launching

This paper aims to study on the cooling effect with two types of water spray nozzle on the flame deflector during the four-engine launch vehicle take-off. To accurately simulate the two-phase flow of the rocket gas with multispecies and the water spray, the three-dimensional compressible Navier-Stokes equations, discrete ordinates methods and realizable k-Ɛ turbulence model are used to establish the rocket supersonic plumes impact model. The Eulerian dispersed phase (EDP) model was used to simulate the water spray into the exhaust gas. The accuracy and effectiveness of the gas-liquid flow model are verified by a good agreement between simulation results and experimental data. On this basis, a series of numerical simulation studies under different water injection position are performed. The results show that the high temperature regions, along the axis of engines on the deflector plate, have no significant temperature decreasing effect by water spray from the nozzles mounted on the apex of the deflector, and the high temperature converts a large quantity of water into vapor near the plume boundary, which would decrease the flow conductivity. With the cooling spray nozzle fixed directly to the deflector plate, the temperature decrease effect is obvious and the effect of thermal shock on deflector plate induced by exhaust plume is reduced, so that it can prevent the flame deflector from thermal ablation. The study results provide indepth information and engineering guidance for designing the water spray systems and increasing the safety of the launch process.     

考虑冲击韧性的退化-冲击相依竞争失效建模

复杂系统的失效通常是退化失效与随机冲击导致的突发失效之间耦合竞争的结果。针对某些具有冲击韧性的系统，提出了一种基于非线性Wiener过程的退化-冲击相依竞争失效模型与可靠性评估方法。首先，采用m-δ冲击模型考虑了系统抵抗冲击载荷的能力，即只有随机冲击频率高于一定水平才会导致突发失效，其余情况只会对退化过程产生影响。然后，在此基础上，通过修正非线性Wiener过程模型来考虑随机冲击对系统退化在退化增量和退化速率两方面的影响。最后，采用某空间用存储芯片案例对所提方法进行验证，并开展了参数敏感性分析，结果表明了所提方法的合理性与有效性。