神舟飞船防热大底结构设计

简要介绍了神舟飞船返回舱上的主要防热部件——防热大底的结构设计特点。从受热、受力和结构合理布局多方考虑,确定防热大底采用大面积烧蚀层和背壁玻璃钢蜂窝夹层结构、整体玻璃钢环的复合结构形式。经过大面积烧蚀计算与温度场分析、局部突起物烧蚀计算与温度场分析、防热大底受气动外压计算分析、静力计算分析以及详细的结构设计,设计出的防热大底较联盟号防热大底轻,结构比“双子星座号”飞船的防热大底简单。经过一系列的地面试验和神舟飞船的三次成功飞行试验,防热大底设计的正确性、合理性得到了充分验证。     

火星探测器表面材料催化特性数值模拟研究

针对火星探测器高超声速进入过程中的表面材料催化作用及其对气动热环境影响这一问题,建立了变壁面温度的火星大气表面材料催化作用模型,并基于火星大气物理化学模型和求解三维热化学非平衡N-S方程的数值方法,对典型火星探测器防热大底进行了数值模拟,获得了不同催化特性下的高超声速非平衡流场和气动热数据,分析了表面材料催化特性对气动热环境影响的规律性。研究结果表明：表面催化特性对壁面附近组分分布影响很大,催化反应进程主要受O原子浓度限制;有限催化热流随催化效率增大而增大,完全催化峰值热流比催化效率为1的有限催化峰值热流高25%~64%;表面温度随催化特性的变化规律与热流变化规律类似。有限催化模型能根据表面材料的催化特性精细化预测表面热流和温度,为防热设计提供更精确合理的参考标准。     

平流层飞艇外形气动特性分析

结合某平流层飞艇的外形设计，文章采用数值模拟的方法研究了平流层飞艇外形的气动特性。基于雷诺平均N—S方程，采用非结构网格的有限体积方法进行了求解；空间离散分别采用了Jameson的中心格式和Osher逆风格式，时间离散则采用五步Runge—Kutta格式；紊流模型分别采用了S—A一方程模型M—SST两方程模型。本研究有助于了解平流层飞艇的气动特性及气动外形设计过程中存在的问题，为平流层飞艇设计提供参考依据。     

平流层飞艇外形气动特性分析

结合某平流层飞艇的外形设计,文章采用数值模拟的方法研究了平流层飞艇外形的气动特性。基于雷诺平均N-S方程,采用非结构网格的有限体积方法进行了求解;空间离散分别采用了Jameson的中心格式和Osher逆风格式,时间离散则采用五步Runge-Kutta格式;紊流模型分别采用了S-A一方程模型M-SST两方程模型。本研究有助于了解平流层飞艇的气动特性及气动外形设计过程中存在的问题,为平流层飞艇设计提供参考依据。     

火星稀薄大气参数对进入器气动特性的影响

针对火星稀薄大气环境的不确定性对进入器气动特性的影响问题,先以海盗号火星进入器的飞行试验数据对发展的三维并行直接模拟蒙特卡罗(DSMC)仿真软件进行了算例校验,再以火星科学实验室外形为例,计算气体组分、密度、温度及速度等来流参数的不确定性对进入器气动特性的影响偏差,定性定量给出火星高空稀薄环境下大气不确定性所带来的气动力特性规律。研究结果表明,通过与海盗号飞行实验数据的对比校验了所建立方法的正确性与可靠性;CO2大气环境对进入器气动特性的影响较大,利用空气稀薄环境中的计算及实验结果亦需进行CO2效应修正,这一点与连续流区的结论一致;来流密度及速度的不确定性对气动力、力矩特性均有影响,而来流温度影响的最大偏差小于0.5%;纵向压心对来流密度、温度及速度的扰动均不敏感。     

MSL火星探测器高超声速流场预测及气动性分析

为获取火星探测器升力-弹道式进入火星大气层的气动特性,以火星科学实验室探测器（MSL）为研究对象,开展基于有效比热比方法的高超声速流动的数值模拟研究,并建立探测器进入过程的气动性能分析方法。计算分析表明,探测器绕流流场因有效比热比较小而具有很薄的激波层,物面气动力与文献值吻合良好;气动分析表明,对特定飞行状态,质心位置决定配平升阻比和俯仰静稳定度,合理的质心法向偏移和纵向移动可满足探测器的升阻特性和静稳定性,同时给定的配平特性和静稳定性要求也可指导质心位置调整,进而为探测器的气动布局设计和舱内设备布置提供建议。     

火星探测器锂氟化碳电池热特性测量方法

锂氟化碳电池是新一代轻质化电池,比能量高且安全可靠,是火星探测器储能电源一次电池的佳选。但其放电过程反应热大,热效应非常明显,故须对其关键热特性参数如比热容和发热量进行测量研究。文章采用ARC（accelerating rate calorimeter）测量方法对锂氟化碳软包电池热特性进行测量,获得了电池的比热容及不同荷电态下的放电发热量,误差在工程允许范围内。研究结果可为深空探测器锂氟化碳电池的应用提供参考,并可推广至后续深空领域高能量比一次电池的工程化应用。     

深空探测器防热承力一体化大底结构研究

传统航天器的承力和热防护结构分别设计,使得结构质量大且材料间因热膨胀系数差异存在相分离风险。文章针对进入舱大底结构提出新型一体化热防护系统(Integrated Thermal Protection Systems,ITPS)设计方案,以C/C-SiC复合材料作为防热层,以梯度隔热材料为隔热层,采用耐高温非金属螺钉机械连接辅以胶接的方式组合各部件。通过对典型大底结构进行力、热仿真模拟,结果表明:结构背壁温度、强度满足使用要求;ITPS设计方案较传统热防护系统设计方案质量减小约34%。ITPS在可重复使用航天器、深空探测等领域具有广阔的应用前景。     

火星探测器再入RCS喷流干扰效应数值模拟研究

针对火星大气环境下的反作用力控制系统（RCS）喷流干扰问题,采用自研CFD软件数值模拟“火星科学实验室”（MSL）外形在火星大气环境中的喷流干扰效应;并与文献中的高超声速喷流干扰风洞试验和计算结果进行对比验证;继而完成了火星大气环境高超声速（M_∞=5～10）条件下的偏航方向喷流干扰效应数值模拟,获得了不同攻角（α=0°～-30°）、不同马赫数条件下的喷流干扰气动规律：负攻角增大将导致喷流干扰效应增强以及附加偏航力矩增加;来流马赫数对附加干扰力矩的影响较小。研究结果可为火星探测器喷流控制设计提供参考。     

火星进入器壁面脉动压力环境数值模拟

为研究跨超声速阶段来流马赫数、来流攻角及配平翼展开角的变化对进入器壁面脉动压力环境的影响规律,本文采用脱体涡方法对火星进入器模型开展非定常数值模拟,获取壁面不同位置处的脉动压力信息。研究表明：在跨超声速阶段,进入器壁面脉动压力环境随马赫数的增加而趋于减缓。配平翼迎风面分离区受脱体激波影响明显,当来流马赫数较小时,可压缩效应较弱,分离区涡流运动剧烈,诱导的脉动压力环境较强;随着来流马赫数的增加,脱体激波对分离区抑制作用增强,分离区运动受到限制,诱导的脉动压力环境趋于平缓。此外,随着来流攻角增加,配平翼迎风面上再附点的位置向翼根方向转移,从而使翼根处的脉动压力环境趋于恶劣。当配平翼展开180°时,分离区再附点位置基本固定,配平翼迎风面脉动压力环境得到一定程度的减缓。功率谱分析表明,在配平翼迎风面上诱导的脉动压力能量主要集中在中低频区域。     

火星进入气体辐射加热研究进展

针对飞行器进入火星大气时气体辐射加热对防热设计带来不确定性,在简述火星探测和气体辐射研究的发展历程的基础上,对火星进入气体辐射加热研究的进展进行综述。首先,针对火星大气环境描述了气体辐射加热的概念和问题由来。其次,重点综述了近年来火星进入气体辐射加热基础模型的数值和试验研究进展,其中包括：热化学非平衡气体动力学、气体辐射特性和辐射传输的计算模型与方法等数值研究;地面测试设备、试验技术和模拟火星大气环境的气体辐射测量与验证等试验研究。再次,综述了流动辐射耦合和后体气体辐射加热等火星进入器设计方面开展的研究。最后,对未来火星进入气体辐射加热研究进行了展望,提出了研究建议。     

天问一号着陆器大底分离触发条件设计方法

针对天问一号着陆器防热大底分离触发条件确定问题,利用数学仿真的方法分析气动特性、防热大底相对着陆器姿态运动等因素对分离安全性的影响,给出可安全分离的触发条件.不同分离触发马赫数的仿真结果表明,较大分离马赫数的碰撞风险较高,但防热大底长期运动趋势由弹道系数决定,相比着陆器下降更快.根据伞降过程着陆器姿态运动及伞绳力特点,...     

火星进入器作强迫震荡运动壁面脉动压力数值模拟

为研究超声速阶段进入器作强迫震荡运动对壁面脉动压力环境的影响规律,本文耦合进入器刚体运动方程与流体力学方程,采用动网格技术,对火星进入器模型开展非定常数值模拟,获取壁面不同位置处的脉动压力信息。研究表明：在超声速阶段,进入器作强迫震荡运动诱导的脉动压力远大于进入器保持相对静止时仅由非定常流动诱导的脉动压力。来流马赫数为1.2时,进入器作强迫震荡运动对脱体激波影响较小,脱体激波强度较弱且形态变化较小,攻角的震荡导致同一测点距离脱体激波的位置发生周期性改变,舱体迎风面及配平翼迎风面的脉动压力环境主要受攻角变化的影响;来流马赫数为3时,进入器作强迫震荡运动对脱体激波的影响较大,脱体激波震荡剧烈,诱导舱体迎风面及配平翼迎风面产生极其恶劣的脉动压力环境,功率谱分析表明激波震荡诱导的脉动压力能量主要集中在30 Hz左右。     

改善返回舱气动稳定特性数值计算研究

和第一宇宙速度载人再入飞行相比,以第二宇宙速度载人再入飞行对返回器的升阻比要求较高。文章给出了一种升阻比能够满足第二宇宙速度再入需求的返回器基本外形,分析了基本外形的气动性能以及质心位置对气动稳定特性的影响,结果表明基本外形在高超声速和亚声速下均存在第二静稳定配平点的问题。为了改善基本外形的气动稳定特性,文章提出了多种改进外形设计,包括增加稳定耳片、改变尾部外形设计等。通过数值模拟对这些改进外形的气动稳定性进行了分析,结果表明这些改进设计对于改善返回器的单点稳定特性是有效的。通过对流场特性的详细分析,对改进气动设计改善返回器稳定特性的机理进行了揭示和阐释。     

火星大气进入段轨迹优化与制导技术研究进展

首先根据国际上实施的火星探测任务及未来火星着陆探测的发展需求,阐述火星大气进入段轨迹优化与制导的重要性。结合火星着陆环境和探测器的气动特性等,归纳出火星大气进入段轨迹优化与制导面临的挑战。在此基础上,结合未来火星着陆任务的安全精确着陆目标,梳理火星大气进入段轨迹优化与制导所需解决的关键技术,分析目前火星进入段轨迹优化与制导技术研究进展及发展趋势。最后,对未来火星精确着陆所需的进入段轨迹优化与制导技术发展方向进行了展望。     

一种共轴双旋翼式火星飞行器设计及其试验验证

针对火星飞行器探测需求,提出了一种共轴双旋翼式火星飞行器,基于计算流体力学方法优选了桨叶翼型、平面形状和扭转角等结构参数,基于叶素动量理论建立了旋翼气动力学模型,利用数值模拟方法选择了旋翼转速、旋翼间距和桨叶安装角等飞行参数,设计了原理样机"火星飞鸟-I"的结构与控制系统。构建了火星大气环境模拟器和重力补偿与运动约束装置,开展了模拟火星环境下旋翼式飞行器地面飞行试验,验证了共轴双旋翼式火星飞行器的推进性能,展望了旋翼式火星飞行器技术的发展方向。研究成果对我国开展的火星探测工程具有重要借鉴价值。     

火星进入段自主导航技术研究现状与展望

基于国际上成功着陆的火星探测任务和未来火星着陆探测技术的发展需求,阐述了火星进入段自主导航的必要性。首先总结了火星进入段自主导航技术的研究现状与发展趋势,随后分析了火星进入段自主导航的特点以及所面临的挑战,并概括了火星进入段自主导航所涉及的关键技术。最后对我国未来火星探测任务进入段的自主导航技术发展方向进行了展望。