基于椭球近似解析法的飞行器再入轨迹优化

针对再入机动飞行器的再入段轨迹规划问题,设计了基于速度-阻力加速度剖面的轨迹优化方法,推导了根据速度-阻力加速度曲线和速度-攻角曲线计算飞行器跟踪规划轨迹所需要的控制力、航迹倾角、飞行器高度等量的公式,给出了飞行器再入倾角和速度-阻力加速度曲线斜率的关系,提出了 一种考虑飞行器控制能力极限的基于椭球近似解析法的飞行器再入段轨迹优化方法,通过仿真验证了所提出方法的有效性.     

大型航天器无控再入气动稳定性分析

大型航天器在轨运行寿命终止后,为避免坠落在人口稠密地区造成事故,一般通过控制其主动离轨再入,使其坠落在南太平洋航天器坟场区域。再入大气层过程中受气动作用影响剧烈,航天器气动稳定性对再入姿态及姿态保持有直接影响,从而影响到再入轨道。为分析质心位置、航天器舱外部件等对航天器气动稳定性的影响,文章利用快速气动力方法,获得了航天器在不同工况下的气动力矩特性,进而分析其气动稳定性。对于给定质心位置的航天器,随着舱外部件不断解体,从单配平点转变为多配平点。而对于不同质心位置,质心位置接近端面时仅存在单配平点,位于中部则可能出现多配平点。因此,对于需要再入的大型航天器,其质心位置及舱外部件在设计阶段就应考虑其对再入气动稳定性的影响,始终保持在单配平点工况,以降低再入过程姿态、轨道控制技术难度。     

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。     

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。     

登月返回地球再入轨迹的优化设计

针对登月飞船返回地球,其再入速度为108km/s,返回舱的气动加热问题大幅度上升（相对再入速度为78km/s）。给出了多个不同条件下的最优返回再入飞行轨迹设计方案：(1) 二次再入飞行方案;(2) 单次再入飞行方案;(3) 多次再入飞行方案。二次再入飞行方案优于单次再入飞行方案,因为前者可使热防护系统质量下降,具体体现在气动加热上,并容易工程实现。气动加热环境的结果如下：二次再入的最大气动热流密度<单次再入的最大气动热流密度,并且,单次再入的总气动加热量>二次再入的总气动加热量。
     

基于多学科设计优化算法的再入轨迹优化设计

传统的再入轨迹优化问题通常是在气动外形和质量等总体参数给定的情况下建立起来的。所设计的最优轨迹从飞行力学的角度来看是最优的，但从系统角度来看未必是最优的。在总体初步设计阶段，考虑气动外形和质量等其他学科影响的再入轨迹优化对于提高RLV的系统性能无疑具有重要意义。此时再入轨迹优化将是一个静态，动态多学科混合优化问题。以球头双锥的升力体构型RLV为例，以最小化热防护系统质量和最大横向机动距离为指标，采用两种典型的多学科优化算法来研究考虑气动外形、轨迹和热防护系统三个学科的再入轨迹优化设计问题。仿真结果表明多学科优化算法能够用来求解静态，动态多学科混合优化的再入轨迹优化设计问题，是RLV初步外形设计和任务轨迹规划的重要工具。     

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。     

单台光学设备跟踪再入目标的外弹道计算方法

利用单台光学设备测量再入目标的俯仰角及方位角,确定再入目标的外弹道参数。根据再入目标的动力学方程及单台光学设备的测量方程得到再入目标的运动方程组,根据单台光学设备测量再入目标的观测角度序列,采用最小优化方法联合求解该方程组,可以估计再入目标的气动参数及再入目标的外弹道参数。数值仿真验证显示,该方法能够比较准确估计再入目标的气动参数,同时得到再入目标的外弹道参数。     

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。     

再人飞行器优化气动布局研究

本文研究了再入飞行器的优化气动布局问题，提出了单目标和多目标优化设计方法，通过研究分析，指出了具有高机动性能的带翼机动再入飞行器，弯体机动再入飞行器及带翼锥柱裙机动再入飞行器等再入飞行器的几何数变化规律，该研究对这类再入飞行器的气动布局选型有重要的参考价值。     

再入飞行器滑翔段精确减速控制技术

针对再入飞行器终端多约束条件,提出一种滑翔段精准减速的控制方法。首先,在合理的假设下,考虑重力加速度的作用,推导了滑翔段以高度为自变量的理想速度解析表达式。随后研究了气动减速控制技术,若当减速控制回路存在偏差时,则该回路将生成相应的合攻角指令。根据传统制导回路与气动减速回路耦合作用的特点,制定了有效的控制策略,从而实现终端速度的精准控制。最后,通过数学仿真,验证了本文提出的精准减速控制技术的有效性。     

再入飞行器优化气动布局研究

本文研究了再入飞行器的优化气动布局问题，提出了单目标和多目标、优化设计方法。通过研究分析，指出了具有高机动性能的带翼机动再入飞行器、弯体机动再入飞行器及带翼锥柱裙机动再入飞行器等再入飞行器的几何参数变化规律。该研究对这类再入飞行器的气动布局选型有重要的参考价值。     

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。     

考虑变形影响的棱台式柔性外形气动力/热环境研究

文章首先根据机械可展开式再入/进入技术的结构形式建立了棱台式柔性外形简化模型;然后通过流-固耦合分析研究了该外形在气动力作用下的变形规律,获取其迎风面具有"下凹"的变形特征;并根据该变形特征修正了气动面模型,应用修正后的模型再分析,得出了气动力和气动热沿径向分布及气动热随时间变化的规律。研究发现:考虑变形影响的棱台式柔性外形在棱边附近处出现了气动力/热集中现象,全流域气动热环境变化趋势与刚性回转体外形基本一致。此研究结果不仅可为机械可展开式再入/进入技术的气动力/热特性研究奠定基础,还能为其他柔性外形的气动研究提供借鉴。     

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。     

初始能量不确定飞行器再入制导方法研究

能量管理是航天器再入的重点。通常采用的对能量和轨迹规划方 法在飞行器初始状态不确定情况下不再适用。针对初始状态不确定飞行器再入能量管理问题 ,本文制定以分析飞行器能量耗散能力为基础,确定控制量模型、建立标准速度高度曲线, 并导引飞行器跟踪标准速度高度曲线飞行方案。仿真验证了该方案能适应较大空域和速度变 化范围,同时在风干扰和气动拉偏15％情况下验证了该方案具有强稳定性和鲁棒性。     

锐边高超声速再入飞行器气动隐身综合设计

对锐边高超声速再入飞行器气动隐身综合设计进行了研究。以REX-203飞行器外形为研究对象建模,分析了修正牛顿理论、活塞理论和激波膨胀波理论三种常用的高超声速气动力工程算法用于锐边高超声速再入飞行器的适用性,用最准确的修正牛顿理论讨论了不同外形的飞行器最大升阻比变化规律,用高频近似算法计算了飞行器雷达散射面积(RCS)。综合考虑最大升阻比和RCS,给出飞行器隐身气动综合优化设计为飞行器中部长度0.6~0.7m。     

一种新型RLV再入轨迹在线规划方法

针对可重复使用运载器(Reusable Launch Vehicle, RLV)再入轨迹在线规划问题,提出了一种基于割线法的标准轨迹快速生成方法。该方法以驻点热流、法向过载、动压和平衡滑翔限制为再入过程约束,以再入初始点和结束点的高度、速度为再入端点约束;在阻力加速度-速度平面内建立约束模型后,设计了折线形式的标准轨迹;采用割线法迭代计算轨迹转折点以调整轨迹形状,使最终规划轨迹对应的航程和终端点速度同时满足设计需求。最后取3种不同航程的再入情况进行了数值仿真。仿真结果表明,所提出的方法能够在1秒内完成再入轨迹规划,并在一定航程范围内适用,能够满足在线设计标准再入轨迹的实时要求。     

再入气动理论和实验的评述

战略武器的发展,要求进一步提高再入飞行器的突防能力、生存力和命中精度。现代高级再入飞行器主要是高β(弹道系数)再入的弹道式再入飞行器和机动武再入飞行器。本文所讨论的再入问题,就是指高级再入飞行器再入地球的大气层时所遇到的问题,整个再入系统虽然还包括材料、结构、遥测、控制等其它方面。但是再入动力学和气动热力学是再入系统的最重要问题之一,本文着重讨论这方面的现状、存在问题和解决问题的技术途径。 再入气动力学和气动热力学的主要问题是烧蚀防热问题,气动力问题,粒子云侵蚀问题,滚动问题,机动再入问题和再入物理等问题。解决这些问题要采用理论和实验相结合的方法,依靠理论计算、地面模拟试验和飞行试验等手段,通过综合分析提高设计计算的精度,寻找有效的措施保证性能要求。     

大型航天器再入陨落时太阳翼气动力/热模拟分析

采用直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法对大型航天器离轨再入陨落过程中,其太阳翼帆板在稀薄过渡流域的气动力、气动热特性进行数值模拟,计算中采用流场直角与表面三角形非结构混合网格以及网格自适应技术处理这类复杂外形的流动模拟,考虑内能激发和化学反应来准确模拟气动加热,并基于MPI环境的并行算法解决计算量庞大的难题。通过计算分析太阳翼水平和垂直放置时在不同高度、不同攻角下的复杂流动特征,表明在90km以上高空,太阳翼垂直放置时,飞行器头部脱体激波与帆板脱体激波会产生更强烈、更复杂的激波/激波和激波/边界层的干扰,在气动力和气动热的双重作用下要比水平放置时的太阳翼更快地被撕裂并脱离目标航天器。