火星气囊气体发生器充气过程稳压仿真研究

文章对低温和常温环境下的气囊稳压充气过程的参数进行了仿真计算。主要分析计算了气囊内外壁的对流换热、囊内气体与囊壁间辐射以及水蒸气液化等传热方式的传热量。同时,计算了在不同环境温度下,气囊内气体温度、充气质量以及充气质量流率随时间的变化关系。分析结果可以为工程研制提供参考和数据支持。     

吸气式高超声速飞行器动力学特性分析

吸气式高超声速飞行器是下一代单级入轨和高超声速巡航研究的重点飞行器。其机身/发动机组合对飞行器动力学影响不同于常规飞行器,不能通过常规的气动分析方法对整体飞行器进行气动力计算分析。提出了利用激波膨胀波理论计算飞行器上表面的气动力,利用二维流场中的牛顿激波理论计算飞行器前体下表面的气动力,采用一维定常流模拟发动机内部工作流场,膨胀波理论计算飞行器后体气动力的吸气式高超声速飞行器整体气动分析方法。仿真分析验证了本方法的可行性和正确性。     

骨架充气压力对自充式气囊缓冲性能影响研究

缓冲气囊作为一种着陆缓冲手段,具有质量轻,折叠性能好,成本低等优势,成为了回收着陆领域的重点研究方向。自充式缓冲气囊是一种利用环境气体作为缓冲介质的缓冲气囊,其主要依靠骨架式充气结构作为缓冲气囊展开的驱动。通过这种设计,可以有效减少缓冲气囊充气装置的携气量,拓展缓冲气囊的应用范围。文章对自充式缓冲气囊的工作原理进行了介绍,并对自充式缓冲气囊的缓冲过程进行了仿真研究。研究过程主要针对骨架式充气结构充气压力对气囊缓冲性能的影响进行了分析,并对其充气压力进行了优化选择。研究结果表明,对骨架式充气结构的充气压力进行优化,可以改善自充式缓冲气囊的性能。最后,引用相关试验结果,对优化结果后的充气展开性能进行了佐证。     

高超声速飞行器复杂流场过渡区DSMC数值模拟的一种新方案

采用DSMC方法,研究了高超声速三维复杂外形飞行器在过渡领域飞行的气动力、热特性.提出了一种对飞行器物面网格与DSMC计算域网格分别标识,进行高超声速复杂流场过渡区DSMC数值模拟的一种新方案,通过判断模拟分子与表面碰撞来完成飞行器物面网格与DSMC计算域网格间的信息传递和信息存贮,对于复杂外形飞行器的精确描述的物面网格不需做进一步处理,直接应用于不依赖于飞行器外形的DSMC计算的通用子程序中.对物面网格的标识、分子的运动及与表面碰撞的判断、流场量的采集的实施方法和细节进行了分析和讨论.仿真计算了三维复杂飞行器流场压力、热流分布量,飞行器表面气动力、气动力矩和气动热参数,证明了采用的方案和技术的有效性.     

某试验台LH2贮箱气体置换过程数值模拟

首先应用C#软件编制贮箱气体置换计算程序,用该程序对不同N2、H2充气压力和放气终压对贮箱置换的影响进行分析,通过对比分析得出最优置换方案;其次利用FLU—ENT软件对某运载火箭发动机动力系统试验LH2贮箱气体置换过程进行数值计算,包括N2充气置换、H2充气置换和LH2贮箱缩比尺寸和全尺寸数值计算。对H2置换过程中不同...     

充气式再入航天器总体方案及关键技术初探

充气式再入航天器是一种新型的再入航天器,可实现载人航天和行星探测任务中的行星大气再入,具有系统简单、质量小、气动加热低和可适应不同外形的再入载荷等优点。文章介绍了充气式再入航天器的国际发展现状,并对充气式再入航天器的总体方案进行了初步分析。参考俄罗斯的充气再入与降落技术(inflatable re-entry and descent technology,IRDT)设计先例,提出了充气式再入航天器的构型方案,并针对该构型进行了基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的气动力和热仿真分析。计算采用了迎风格式的层流模型,基于密度进行求解。文章还基于国际空间站的运行轨道,开展了再入轨道的设计,最后对再入气动特性分析、柔性热防护材料、布局与折叠包装和充气机构设计等关键技术提出了初步建议。     

类X-37B飞行器气动力辅助异面变轨性能研究

X-37B是美国波音公司制造的一种可重复使用无人升力体飞行器,其具体任务一直备受关注和猜测。X-37B轨道试验飞行器曾多次进行轨道面内和面外机动。外界猜测X-37B可能降低轨道高度,进入有稀薄大气的高度,利用气动力大幅度横跨轨道飞行。文章分析了气动力辅助异面变轨的过程,其中在大气层内飞行段通过调整倾侧角实现侧向机动,从而改变轨道倾角。利用计算流体动力学软件计算其在高马赫数值下的气动力,为大气层内飞行动力学模型提供输入,推导气动力辅助异面变轨特征速度和推进剂消耗量的计算方法。针对不同再入角进行气动力辅助异面变轨仿真,计算轨道倾角改变量、特征速度和推进剂消耗量,并与冲量变轨比较。结果表明:类X-37B飞行器气动力辅助变轨在理论上具备一定改变轨道倾角的能力,但比冲量变轨消耗更多推进剂,变轨过程所需时间较长,相比于冲量变轨难度增大,工程实施可行性值得商榷。     

高超声速气流非结构化网格DSMC算法研究

高超声速气动热力学环境的研究是直接涉及飞行器轨道控制、热防护设计的关键问题之一。文章通过研究稀薄气体热化学非平衡态中的热力学环境,采用非结构化DSMC程序对“火星探路者号”（Mars Pathfinder）探测器的Ballute减速装置在地球大气层和火星大气层中的高超声速飞行进行了数值模拟,计算得到了流场的温度分布、探测器壁面的热流密度分布,分析表明稀薄气体热化学非平衡态对飞行器流场有影响。将仿真结果与NASA兰利研究中心的计算结果作了比较,二者吻合很好。研究结果可用于飞行器热防护设计。     

前缘切口对冲压式翼伞的气动力影响

充压式翼伞是一种高性能的降落伞，其充气后的形状与飞机的机翼类似。翼伞前缘切口是翼伞区别于机翼的主要特征之一。文章利用CFD工具，对二维翼型剖面的切口模型进行了气动力计算，研究了两个切口参数(切口角度和切口高度)对翼型剖面气动力特性的影响。     

一种翼身组合体的气动设计及优化

翼身组合体具有较高的升阻比,可进行较大范围的机动,而且还可以提高落点精度、扩大再入走廊、降低热流峰值并降低过载。采用模线设计方法设计横截面控制点,借鉴航天飞机气动力工程计算方法发展了一套可以预估翼身组合体飞行器纵横向气动力的工程计算方法。提出并建立了翼身组合体飞行器的优化设计模型并进行了计算,获得了带后掠下反翼的翼身组合体优化方案。本方案在5°攻角时升阻比可达6.5,并给出了飞行器稳定配平的质心布置条件。在纵向稳定配平时,组合体飞行器在偏航及滚转方向均为静/动稳定的。研究表明,本方案可在较小攻角时获得较大升阻比,并具有纵横向稳定性,是高超声速机动的潜在可行方案。     

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。     

可膨胀再入防热锥的技术进展

长期以来返回式飞行器为承受再入气动载荷和着陆冲击 ,采用具有防热层的刚性飞行器壳体 ,导致返回舱的质量和外形大于有效载荷的数倍。柔性可膨胀再入防热锥可解决上述不足之处 ,这种锥形返回舱在返回前进行充气改变其气动特性 ,使在返回过程中达到所需的气动参数和最终着陆速度。可膨胀再入防热锥技术能使有效载荷舱获得广泛用途 ,不但能使航天员、货物和昂贵的硬件安全返回地面 ,还能在载人飞行遇险时作为应急救生的有效措施 ,以及在未来火星探测中发挥积极作用。     

Launch cost reduction by the reuse of the core stage of Ariane 5

The high cost of launching payloads into Earth orbit is a main limiting factor on the development of space. In order to reduce the high cost of launch, reuse of (parts of) the launch vehicle is needed. This study analyses the possibilities of recovering and reusing the core stage of Ariane 5. Recovery of the core stage sets demands on re-entry trajectory, attitude, stability, thermal protection, structural strength, terminal deceleration, salt water protection, recovery and refurbishment. All these subject areas require solutions to their individual problems. Added subsystems to the stage are defined and their mass is determined. These masses are used to determine the financial feasibility of the recovery concept, by weighing the payload demise and operational cost against the gains of reduced production cost. It is concluded that the recovery is technologically feasible, using a detachable ablative heat shield on the nose of the stage and a stabilisation device (an inflatable drag cone), a parachute system and an engine enclosure device. Total mass of these systems is 1320 kg, with financial savings amounting to $8.5 million per flight.     

高超声速飞行器翼面前缘半主动金属热防护系统设计与分析

针对高超声速飞行器翼面前缘的热防护,文章设计了一种基于热管的半主动金属热防护系统。设计中使用工程估算方法预测了翼面前缘的气动热环境,并采用有限元法对高温合金翼面前缘结构进行了热固耦合分析和强度考核。分析结果表明:在马赫数为5~8的飞行状态下,热管可以有效地降低高超声速飞行器翼面前缘峰值温度达23%~31%,且呈现飞行马赫数越高则峰值温度降低幅度越大的趋势;同时热管还可以降低翼面前缘结构温差达90%以上,从而极大地减小由于温差而导致的热应变和内部应力。因此,将基于热管的半主动金属热防护系统应用于高超声速飞行器翼面前缘可以真正实现结构防热一体化,有助于获得较好的防热和减重效果。     

火星着陆关键环节多学科交叉设计与验证

针对火星着陆任务在飞行环境、地面验证、系统间关联性等方面面临的技术挑战,根据火星着陆关键环节涉及的气动减速、降落伞减速、动力下降和着陆缓冲四个主要阶段,分别分析了大气进入方式、进入初始条件、气动外形、防热、开伞控制、大底弹射、背罩规避机动与触火关机等关键要素,并介绍了天问一号与其他典型火星着陆任务开展的多学科交叉设计过...     

飞行器结构部件导热/辐射耦合传热特性预测方法

采用数值方法求解气动热环境,基于蒙特卡罗方法求解内部空腔辐射换热及有限元方法求解三维导热,建立了沿弹道求解导热/辐射耦合的热响应预测方法,计算并获得了沿给定飞行弹道条件下的考虑内部辐射和不考虑内部辐射时的某高超声速飞行器结构部件的热响应特性。研究表明,所发展的耦合计算方法具有较高的精度和较好的工程适用性;考虑内部辐射时,结构部件局部最高温度明显低于不考虑辐射时,最高相差400K以上,且温度分布趋于均匀,温度梯度减小。相关研究对高超声速飞行器防热结构设计与优化具有重要参考意义。     

一种热平衡等温机制的新型热防护及相关技术

给出了一种适用于高超声速飞行器热防护的新概念——疏导式热防护,其基本理论是利用热平衡等温机制,使防热层趋于一等温体,实现热负载平衡。针对这一概念,进行了较为系统的研究,包括原理、分析方法、实现疏导式热防护的关键技术。研究结果表明,疏导式热防护技术可有效地减少高热流区的温度和热应力,是一种有效的非烧蚀热防护技术。     

热防护系统分区协调耦合推进方法

提出一种适用于热防护系统(TPS)热控性能研究的分区协调耦合推进方法,其中采用有限体积法(FVM)进行气动热分析,FVM空间离散采用NND格式,而结构传热采用有限元法(FEM)进行分析,且在耦合面采用基于控制面的双向映射插值方法进行数据传递。进行了圆管算例分析,2 s时刻驻点处温度计算值与试验值相对误差为4.95%。研究了空天飞行器头锥TPS的热控性能,非耦合方法获得的防热瓦和应变隔离垫(SIP)最高温度分别比耦合结果高114.4 K和32.6 K,这是由于非耦合方法未考虑壁面温度升高对气动热的反馈作用,而耦合方法充分考虑了此影响。采用高热辐射率的涂层、低导热系数和较厚的防热瓦能有效提高热防护系统的隔热性能和降低主动冷却系统的功率和重量,而防热瓦最高温度对其导热系数和厚度不敏感。     

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。     

基于气动辅助变轨的变气动外形飞行器概念研究--最优控制律问题

从一个天地往返飞行器的上升轨道和再入返回轨道的优化，以及适用不同飞行任务的变轨要求的气动外形问题，提出一项基于气动力辅助变轨的变气动外形飞行器的新概念研究。对于一个固定气动外形飞行器要同时满足上升轨道有效载荷最大和再入轨道热流峰值、过载峰值及机动性能约束下的成本最低往往是困难的。若同时满足不同飞行任务：飞往太空站的运输任务，空间拦截和交会机动巡航任务及星际探测任务，则更为困难，实际上是不可能的。文章研究基于气动力辅助变轨，在热流约束下，气动外形参数变化对最优控制的影响。其结论为：热流约束下的最优控制解，包括考虑推力协同变轨，除了在非约束弧的滚转角不直接受气动外形影响外，其余的控制律，升力系数和滚转角都是气动外形参数和攻角的函数。因而变气动外形可作为一项新技术，即通过气动外形参数变化和相应的变轨策略而获得性能和成本都最佳的用途很广的一种新型飞行器。