空间飞行器再入大气层的防热问题

空间再入飞行器再入星球大气层时,周围空气由于受到压缩和摩擦,温度可高达一万度以上,炽热高温气体以对流和辐射两种方式向飞行器蒙皮传递大量的热量。因此,如果没有完善的防热措施保护,舱内有效载荷必将化为灰烬。对于防热问题来说,至关重要的是要充分了解再入飞行器周围的热环境,即搞清高温气流的流动状态(层流或是湍流),准确予计飞行器表面压力分布和剪切力,计算高温气体对蒙皮的辐射加热率、对流加热率以及再入飞行的总加热量。凭借多年的理论研究和反复实践,目前人们对这种再入物理现象已有相当程度的认识,利用高速电子计算机     

火星再入飞行器风洞试验与真实飞行之间相关性的探讨

由于风洞试验条件限制,难以完全模拟火星再入飞行器真实飞行环境,因此需要建立火星再入飞行器风洞条件与真实飞行之间的关联关系。基于国外文献公开数据,采用数值方法和对比分析方法探讨了类"探路者号"外形的火星再入飞行器的风洞试验与真实飞行之间的外推方法。结果表明,在高焓空气风洞和常规空气风洞试验条件下,可以将模型驻点附近的无量纲压力和压力系数作为相关性参数,将风洞条件与飞行条件相关联起来,但是不能直接利用风洞试验的热流、无量纲热流和Stanton数作为关联参数;在高焓CO₂风洞试验条件下,可以利用模型驻点附近的无量纲压力、压力系数和Stanton数作为外推参数,但是不能直接将风洞试验的热流、无量纲热流作为相关性参数,将风洞条件下的风洞数据通过外推获取飞行条件下飞行器的性能参数。      

再入飞行器标称攻角优化设计

再入飞行器的标称攻角在弹道规划以及飞行器覆盖能力分析中起到重要作用,由于再入飞行中气动加热严重,过载和动压约束严格,给标称攻角的设计带来很大困难.针对弹道射面内最大纵程和最小总热载荷问题,在考虑热流、动压和过载约束下分别进行标称飞行攻角的优化设计.首先将过程约束转化为对控制量攻角的约束,将需要优化的标称攻角通过分段线性函数参数化,把最优控制问题转化为4个参数的寻优问题,然后利用遗传算法获得参数的初始猜想,并设计序列二次规划(SQP,Sequential Quadratic Programming)算法求解.仿真结果显示该方法能够快速获取再入标称飞行攻角,为再入轨迹优化和制导总体设计提供参考.     

载人航天器深空飞行返回再入轨迹优化

分析了载人航天器深空飞行返回再入的飞行特点,指出其轨迹优化研究的必要性;给出了基于遗传算法的轨迹优化方法;利用自主编制的仿真软件程序,采用与Apollo和Soyuz飞船类似的返回舱的参数进行了仿真。仿真结果表明,优化后加速度过载峰值被严格控制在满足载人飞行要求的范围内,同时其他过程载荷峰值也在满足约束的前提下明显降低,总吸热量和再入航程也大幅缩减,优化后再入轨迹满足工程实施的初步要求。     

再入飞行器表面磁流体发电装置数值模拟

提出了钝锥型再入飞行器上的表面磁流体发电装置方案,采用低磁雷诺数近似下的磁流体力学模型对其进行了流动与静电场耦合的数值模拟,由此建立了表面磁流体发电装置中的物理图像.数值模拟结果表明,在典型再入条件(飞行高度46 km,速度7 km/s)下,所提出表面磁流体发电装置方案能够实现兆瓦级(电功率1.28MW)能量输出,电能提取导致再入飞行器阻力增大13.7%,对飞行器壁面总热流值的影响并不显著,但发电区域及其下游壁面的热流密度分布发生明显变化,该区域内热流密度峰值发生于电极的前、后缘.     

航天飞机轨道器高级隔热层

轨道器在航天飞机系统里是最关键的部分,它长37.2米,高17.4米,翼展23.8米。轨道器在再入大气层时,为了使摩擦阻力减至最小,采用了头朝下的方式下降,这与以前载人飞船的再入方法不一样。航天飞机轨道器进入地球大气层时,因与空气发生猛烈摩擦,在它的底部会产生巨大的热量。由于轨道器构架和它的蒙皮基本上都是     

基于预测校正法的低升阻比飞船再入轨迹设计

对低升阻比飞船高速再入地球大气层的轨迹规划问题,提出了基于数值预测校正NPC(Numeric Predictor-Corrector)法的预测制导方法,并用时间替代能量作为自变量从而规避奇异问题;由飞船再入的3自由度运动方程推导纵向平面内的运动方程,并使用预测-校正方法获得倾侧角数值;同时通过设计横向漏斗确定倾侧角的符号,最终得到当前需要的倾侧角.仿真结果表明,该方法能根据不同的再入条件得出对应的再入轨迹和倾侧角变化规律,其动压、热流率、过载也符合再入要求.     

直升机旋翼防/除冰电加热控制律仿真

电热防除/冰系统的控制涉及到电加热与外流场的传热耦合,计算较为复杂,可利用的数据资料较为稀少。为探索电热防/除冰系统工作时与外流场的耦合传热规律,建立了二维电热除冰的数学模型,该模型在Messinger模型和改进的焓法模型基础上耦合了外表面与环境的复杂换热以及融冰和重新结冰过程的相变换热;采用控制容积法对控制微分方程进行离散后,使用TDMA（Tri-Diagonal Matrix Algorithm）和ADI（Alternating Direction Implicit）方法对离散得到的线性方程组进行求解,进而得到了除冰表面温度分布,同时揭示了电热防/除冰系统的耦合传热规律;分析了不同结冰条件下,加热时间控制律和加热热流密度对除冰表面温度的影响。计算发现合理设计加热热流密度大小及分布和加热时间控制律,可实现电热除冰系统能源的高效利用,进而确保飞行安全。     

深空再入返回飞行仿真及工程应用分析

深空高速再入对返回技术提出了许多新的挑战.采用传统弹道式返回,将使返回器面临残酷的气动热环境,同时需要解决落点偏差大的问题;采用新的预测制导返回技术需要解决返回过程的航迹规划、制导和姿态控制问题.根据球冠倒锥外形飞行器在大气层内再入飞行时的受力情况建立飞行器的动力学模型,然后对弹道式返回和预测制导返回两种飞行方案进行仿真,最后围绕返回飞行总体特性参数和返回方式的技术要求等进行工程应用分析,为深空返回的工程实践提供指导.     

航天飞机气动加热计算

介绍了国内外预测航天飞机气动加热的工程计算方法.给出了轴对称、非轴对称和机翼前缘等各种外形驻点热流密度的计算,分析和比较了平板、锥体的层流和湍流热流密度计算的各种方法,概述了航天飞机迎风面中心线和离开中心线横向热流密度的计算.计算结果表明,本文方法用在航天飞机气动热环境初步设计中比较简单并且有足够精度.     

加涂层铌-752合金再入中受热分析

本文应用金相、X射线衍射和电子探针等方法,测定了加涂层铌-752合金模拟再入中在1300—2200℃受热条件下组织结构变化。应用加涂层铌-752合金不同受热温度下组织结构的特征,与再入回收铌-752合金结构件上特征部位的组织结构相比,建立了分析加涂层铌-752合金再入中的受热判据,阐明了飞行器的铌合金结构件再入中的受热分析的方法。      

再入动力学的性质及其在轨迹优化中的应用

考虑具有终端约束和过程约束的探月返回飞行器再入轨迹设计问题,通过将性能指标泛函定义为再入终端位置误差的平方和,再入轨迹设计问题转化为具有过程约束和状态方程约束的优化问题.首先仅考虑状态方程约束,利用最大值原理,得到该优化问题的必要条件,选取间接法中的共轭梯度算法求解最优控制量.进而针对轨迹约束问题,研究了再入过载和轨道飞行段飞行距离与航迹角以及倾侧角的关系,在此基础上,提出了采用调整初始倾侧角序列的方法实现过程约束.该算法克服了罚函数方法中需要调节参数较多的问题,并且物理意义明确,实现简单.最后,给出了Apollo再入轨迹优化的数值仿真算例,验证了所给出算法的有效性.     

基于智能图搜索的滑翔式高超声速飞行器路径规划方法

研究了高超声速飞行器在线路径规划问题。首先建立滑翔式高超声速再入飞行器动力学模型,在此基础上综合考虑高超声速飞行器在飞行过程中的动压约束、热流约束、过载约束等,对动力学模型进行解析计算,分析再入走廊,并进一步分析形成滑翔式高超声速飞行器的覆盖区域。基于飞行器覆盖区域并结合工程应用需求,提出速度分段的高超声速飞行器可达区域计算方法,确定在不同终端速度约束下的高超声速飞行器可抵达区域。并以此为基础,以各个速度分段的终端速度为节点,提出基于启发式路径搜索算法的分段路径规划方法,通过变步长图搜索算法可在飞行过程中在线确定各个速度分段区间的终点,完成分段路径搜索规划。最后通过数值仿真验证了所提出路径规划方法的有效性,结果表明,所提出的方法计算效率高,能够有效规划高超声速飞行器的机动飞行轨迹,具有一定的工程应用前景。     

动力增程型高超声速飞行器的再入轨迹规划

为研究飞行过程中的动力装置启动时刻及燃料消耗情况,对轨迹进行优化,进而提出一种动力增程型弹道的再入模式。推导Sanger弹道的解析解,分析得到高超声速飞行器再入航程最优所必须的迎角及初始速度取值条件等相关前提,利用该结论设计动力装置的启动方式使航程最远、燃料利用率最大。将轨迹设计为Sanger弹道和拟平衡滑翔弹道相结合的混合弹道:再入前期利用助推器间隔点火的方式形成等高类周期跳跃弹道以保证足够远的航程; 再入后期采用拟平衡滑翔弹道,将最优控制问题转化为复杂多约束非线性规划问题,性能指标综合考虑了轨迹平滑和航程。仿真实现了所提出的动力增程型再入弹道; 并在燃料充足、弹道倾角取值合适的条件下,得到“打水漂”弹道形式,该弹道能量损失极慢,具有足够远的飞行能力。仿真表明,与不同点火方式及求解方法得出的弹道相对比,所提动力增程型再入弹道具有3.47~3.84倍的航程、1.04~1.18倍的末端动能以及4.47~15.79倍的燃料利用率。      

赫尔墨斯初期方案和技术指标

法国空间研究中心和法国空间局在制定“赫尔墨斯”技术条件时要求它具有三角翼,并可重复使用,机长15～18米,翼展9～11米。运载器选用“阿里安-5”火箭,因此重量限制在13～17吨。起飞重量包括用于入轨、轨道机动飞行和再入的推进剂重量2.5吨。货舱直径为3米,容积35米~3,舱内可装4～5吨的有效载荷,它将作为空间站的运输工具来运送航天员和货物。其用     

振动表面自然对流强化换热特性

基于振动影响流动换热边界层发展的思路,通过实验方法对振动条件下的自然对流换热特性进行研究.实验采用电铃谐振器作为加热膜的激振源,并利用红外测温技术对表面温度场进行了测量.结果表明:振动对自然对流的强化可提高90.7%.在等热流密度条件下,振动能量越大,换热越好;在等振动能量条件下,热流密度越小,换热越强.研究结果为强化表面自然对流换热提供了一种新思路.      

可重复使用运载器再入轨迹次实时优化

新一代可重复使用运载器RLV(Reusable Launch Vehicle)再入时应具备自主导航的能力,其实现的关键是用机载计算机近实时或实时地生成一条满足各种约束条件的再入轨迹.根据RLV再入的特点,引入了新的假设,对再入轨迹方程进行简化处理,优化难度降低,工作量减少.另外引入次优化轨迹的概念,对控制量(迎角和滚转角)的优化分两步进行,每步只对当中一个控制量进行优化.这样处理能在很大程度上加快算法的收敛速度.仿真结果表明,只需10s左右的时间就能产生一条满足终端约束条件、控制量约束条件和加热率约束条件的次优化轨迹.其结果具有较好的工程应用价值.      

冰晶云对航天飞机再入的潜在威胁

美国航宇局正在研究航天飞机再入时,高空中罕见的发光冰晶云对防热瓦和飞行控制造成危害的可能性。最初的模拟实验是在约翰逊航天中心进行的。实验表明,再入轨道器以高超音速通过这种云层时,会发生很大的导航误差,以及极危险的俯仰和滚动。轨道器高速再入到达气动加热最严重的高度时,这种冰晶可能会对轨道器的防热瓦产生剥蚀。美国和苏联宇航员夜间观察地球时,偶尔也看到过闪光的云层。对这种现象,人们还不是很清楚,但苏联的研究者显然比美国     

模糊控制在导弹瞬态气动热流试验中的研究

导弹与高速飞行器气动模拟试验瞬态热控过程的特点是变化复杂、瞬变、高度非线性、强耦合,很难或者根本无法建立控制的数学模型.模糊控制具有鲁棒性好,对参数变化的适应性强,过渡过程时间短等常规控制方法所不能比拟的优点.将模糊控制方法应用于导弹瞬态气动加热模拟控制系统,使该系统能够按照导弹高速飞行过程中弹体表面热流的瞬态连续变化对气动模拟加热过程实施快速的动态控制.     

再入飞行器末端能量管理段纵向剖面优化方法

摘要： 对于轨道再入飞行器,根据各阶段飞行特性和任务的不同被分为初期再入、末端能量管理以及进场着陆几个阶段.本文提出一种末端能量管理段航程及纵向剖面优选方法,通过对不同的初始航程和纵向剖面进行递推,以阻力板控制裕度最大为优化目标,选出最适应飞行器升阻特性的航程以及相应的高度动压剖面.考虑初始状态误差及气动特性偏差条件下的六自由度仿真验证所设计的纵向剖面的鲁棒性.