火星EDL过程动力学仿真平台

"进入、减速、着陆(Entry,Descent,Landing,EDL)"火星的过程是实现整个火星探测任务最为重要的阶段之一,着陆成功与否直接决定探测任务的成败.文章对火星探测器自身气动减速阶段、降落伞弹射拉直阶段、降落伞开伞充气阶段、降落伞全张满减速阶段等EDL关键过程分别建立探测器进入段六自由度动力学模型、降落伞理...     

开伞攻角对火星探测器舱伞系统运动特性的影响分析

火星探测器降落伞开伞前进入舱攻角(开伞攻角)会对舱伞系统的运动特性产生怎样的影响,是火星探测器减速着陆系统设计时必须搞清楚的问题。针对这一问题,文章以"火星探路者"为研究对象,将降落伞和进入舱分别视为6自由度刚体,建立了降落伞-进入舱以及中间弹性约束的两体12自由度动力学模型,研究了开伞攻角对火星探测器舱伞系统运动特性的影响。研究结果表明,开伞攻角越大,进入舱下降得越慢,开伞攻角对进入舱速度的影响主要体现在开伞后的前30s内;开伞攻角每增大10°,系统约产生600m的高度损失,开伞攻角的大小会对舱伞系统下降过程中的工作时序产生一定影响;开伞攻角越大,舱伞系统姿态越不稳定,姿态变化越剧烈。研究结论可为中国火星探测器降落伞减速系统的设计提供一定参考。     

“天问一号”成功着陆火星！北京空间机电研究所研制的火星伞系减速分系统给力！

正在"天问一号"火星探测器着陆火星的过程中,北京空间机电研究所研制的、全新的伞系减速分系统正常工作、不辱使命,为着陆器顺利着陆火星发挥了关键减速作用。"天问一号"火星探测器采用目前国际普遍使用的伞降减速方式,为安全着陆火星进一步减速。但在火星降落伞系统的设计、校核、仿真分析和试验验证方面,和其他国家还有诸多不同。     

火星探测器降落伞拉直过程中的“绳帆”现象研究

针对火星探测器降落伞在拉直过程中出现的“绳帆”现象,以及火星探测器降落伞开伞前初始参数和大气密度与地球环境下的差异,建立了火星探测器降落伞拉直过程的数学模型,研究了火星环境下,伞包弹射速度、开伞前进入器的攻角、开伞马赫数以及大气密度对“绳帆”现象的影响。研究结果表明,选择较大的伞包弹射速度,并将开伞前进入器的攻角严格限定在较小范围内,将有利于避免或降低“绳帆”现象的发生。这一研究结果可为我国实施火星探测时减速着陆系统的设计分析提供一定参考。     

攻角对火星降落伞拉直过程的影响分析

为了研究火星探测器减速着陆系统降落伞开伞前进入舱攻角的大小对伞拉直过程的影响,设计相应的控制措施,文章以"海盗号"火星探测器为研究对象,建立了基于质量阻尼弹簧模型的降落伞拉直过程动力学模型,研究了进入舱不同攻角下降落伞的拉直过程,重点研究了攻角与"绳帆"现象之间的关系。结果表明,火星环境下开伞前进入舱攻角越大,拉直过程中的"绳帆"现象越严重。因此,减小开伞前进入舱的攻角,将有利于避免或降低"绳帆"现象的发生。这一研究结论可为火星探测减速着陆系统的设计提供一定参考。     

“天问”一号火星探测器降落伞研制回顾

正2021年5月15日,我国第一个火星探测器"天问"一号终于踏上了着陆火星的征程,01时许,"天问"一号由停泊轨道转入火星进入轨道。3h后,环绕器与着陆巡视器分离,着陆巡视器独自奔赴火星。又3h后,着陆巡视器进入火星大气,开始气动减速。4min后,火星降落伞弹出,充气展开,开始伞系减速,又4min后,降落伞完成减速使命,与着陆平台分离,着陆平台进入动力减速阶段。1min后,着陆平台平稳着陆在火星表面。作为气动减速的主要装置,降落伞不辱使命,表现完美。"天问" 一号所用的降落伞由北京空间机电研究所研制。     

火星环境下降落伞拉直过程的动力学建模

文章在简要介绍火星探测器的物伞系统组成以及火星探测器降落伞拉直过程的基础上,根据拉直过程中各物体的运动属性,建立了火星探测器降落伞拉直过程的三维动力学模型。模型将伞包视为变质量六自由度刚体,进入器视为六自由度刚体,伞绳/伞衣采用质量阻尼弹簧模型,即将伞衣、伞绳、连接绳以及吊带离散成若干绳段,每个绳段处理为质量集中在端点的三自由度质点,各质点之间以阻尼弹簧相连。利用所提出的动力学模型对“海盗号”第一次气球发射试验进行了仿真,并与Moog R.D.的仿真计算结果和试验数据进行了对比,验证了该文数学模型的正确性与有效性。     

火星大气对降落伞充气性能影响的初步探讨

探测火星一直是人类深空探测的热点之一,火星上因存在大气层。降落伞一直是确保火星探测器安全着陆于火星表面的一种重要的气动减速装置。然而,由于火星上大气密度非常稀薄,因此掌握降落伞在火星大气环境下的充气性能是火星探测器着陆系统工程设计中的关键,同时也是火星探测器减速着陆系统工作性能评定的理论分析模型或数值仿真系统中必须要解决的一个问题。文章通过降落伞轴向-径向动量守恒充气模型,研究了大气密度对降落伞充气性能的影响,得到了大气密度对降落伞充气时间、充气距离、充气过程中伞衣面积变化的影响规律。研究结果表明,目前有关降落伞充气性能的一些经验关系式对于火星这种稀薄大气环境已不再适用;在火星稀薄的大气环境下,降落伞的充气时间、充气距离随大气密度的减小将急剧增大;伞衣阻力面积为充气过程中时间的4次多项式关系。该成果对于火星探测器减速着陆系统的工程设计、试验及性能评估等均具有较好的参考价值。     

集成火星进入弹道的开伞过程动力学特性研究

针对火星探测任务设计阶段的需求,提出集成再入弹道、开伞过程仿真一体化设计方法。首先,利用质点动力学模型,计算质点弹道,进行探测器进入过程的飞行轨迹仿真,获得开伞初始状态。其次,基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法,建立开伞过程的流固耦合（FSI）动力学模型,进行典型工况开伞过程数值模拟,分析开伞动压和马赫数对降落伞充气过程的影响。数值模拟开伞过程伞衣几何外形变化和降落伞的流固耦合动力学行为,得到开伞过载变化曲线、伞衣阻力面积变化等典型特征参数。计算结果表明,降落伞开伞动力学的数值仿真方法为火星再入、减速和着陆（EDL）过程的概念设计提供了一定的参考依据。     

火星EDL过程动力学建模与仿真

针对火星着陆器的进入、减速和着陆(EDL)过程的关键动力学问题,分别建立着陆器进入、降落伞拉直、充气和稳定着陆等各阶段的较精细的动力学模型,并构建初步的多学科集成分析框架。基于着陆器六自由度刚体模型,仿真研究火星进入弹道的动力学特性;采用过载上升段自适应控制开伞策略,确定降落伞的开伞条件;利用降落伞拉直充气经验模型以及九自由度物-伞多体系统模型,研究降落伞减速过程的动力学特性;采用面向对象设计语言,建立EDL多学科集成仿真框架,从而实现火星着陆器从进入点至着陆点EDL全过程的参数化建模。本文所建模型可有效预测火星EDL过程的运动特性,也可指导深空探测中EDL系统的分析设计。     

火星探测器减速着陆技术特点

针对火星上的稀薄大气环境和火星探测器的着陆要求,对火星探测器减速着陆技术进行了系统的分析,探讨了火星探测器减速着陆系统、气动外形、降落伞和着陆缓冲等相关环节的技术特点,为未来火星探测器减速着陆系统的设计提供参考。     

伞包拉出过程仿真及载荷影响分析

航天器回收着陆过程中依靠减速伞将主降落伞伞包从伞舱中拉出是主降落伞顺利工作的第一步,也是航天器能否安全着陆至关重要的一步。释放减速伞后是通过作用在减速伞伞带及主降落伞伞包拖带上的拉力将主降落伞伞包从主伞舱中拉出的,在释放减速伞拉主降落伞伞包过程中将产生一个很大的载荷作用在减速伞伞带及主降落伞伞包拖带上。文章基于牛顿力学,通过建立释放减速伞后拉主降落伞伞包过程的动力学模型,计算出释放减速伞拉主降落伞伞包过程减速伞伞绳、吊带及主伞包拖带的拉力随时间的变化情况。通过仿真结果分析及与高塔投放试验结果比对,证明了仿真模型的符合性,并在此基础上研究了减速伞自由行程、释放减速伞时下落速度、伞带长度、伞带断裂强力、主伞包质量、减速伞尺寸等因素对伞带载荷的影响程度,根据影响分析结果得出可以通过减小减速伞自由行程、减小释放减速伞时速度、增加伞绳长度、减小伞带总断裂强力、减小主伞包质量、减小主伞包尺寸等设计方法来减小伞带载荷。文章的仿真结果可以为降落伞设计提供参考。     

火星着陆任务环境特点及影响分析

一、自然环境条件影响分析 (一)大气密度条件对进入着陆系统架构设计的影响 合适的气动外形是确保火星着陆器安全通过高速高温飞行区,并最终实现火星软着陆的重要保障.从进入火星大气开始,至降落伞开伞完成,着陆器的速度由几千米每秒迅速减小到几百米每秒,这个阶段主要是依靠探测器自身的气动阻力进行减速.由于火星大气非常稀薄,密度约...     

火星探测降落伞模型高速风洞变迎角试验技术

为获得火星探测器物伞系统动力学仿真中需要使用的降落伞轴向力、法向力、俯仰力矩系数,开展了火星探测降落伞模型高速风洞变迎角试验技术研究,研制了火星探测降落伞模型高速风洞变迎角试验装置,进行了火星探测降落伞模型高速风洞变迎角试验,获得了火星探测降落伞模型在马赫数范围0.4～0.8、迎角范围0°～25°时的轴向力、法向力和俯仰力矩系数,并对支撑干扰及洞壁干扰影响进行了扣除修正。试验结果表明：火星探测降落伞模型的轴向力系数随迎角变化较小;常规透气伞的法向力系数随迎角增大而增大,在马赫数为0.4和0.6时,低透气伞的法向力系数在小迎角时随迎角增大而减小;在马赫数范围0.4～0.8时,常规透气伞静稳定,低透气伞的静稳定性较常规透气伞减小,在马赫数为0.4和0.6时,低透气伞在零迎角时静不稳定,出现了非零配平 迎角。     

盘–缝–带伞超声速充气过程仿真研究

随着火星探测着陆研究的发展,对其主要的减速方式——盘–缝–带伞应用的研究也日趋火热。而在火星探测中,对伞衣充气过程的分析又是最为复杂的难题之一。文章介绍了常用于降落伞流场求解的数值模拟方法,并对它们的利弊做了简要的描述。文章使用守恒元/解元方法对盘–缝–带伞在超声速条件下,从收束状态开始的充气过程进行了数值模拟。首先对前置体进行单独仿真,之后在不同的马赫数下通过对降落伞系统的整体仿真完成对降落伞开伞过程的模拟。仿真数据与实验数据进行对比,获得了较为一致的结果,验证了方法的可行性。另外,文章对两种工作状态下的充气过程进行了对比,分析了盘–缝–带伞在两者中充气过程的异同,以及前置体阻力贡献随着马赫数的变化。最后通过开伞云图对充气过程中的开伞失败现象进行了分析。研究结果可为火星探测提供参考。     

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。     

小型空间有效载荷回收系统

文中介绍瑞典空间公司研制的200kg空间有效载荷(如:导弹弹头、再入飞行器头部等)的回收系统。该回收系统中降落伞采用高强度、轻重量凯夫拉材料制作,重量(不包括伞舱)不到7kg。采用这种回收系统后,有效载荷的着地速度不超过8m/s。文中介绍了两种回收方案。一种是常规方案,采用锥形带条稳定减速伞和轻型十字形主伞的二级降落伞回收系统;另一种是改进方案,采用具有高阻力系数的旋转伞作稳定伞和主伞的二级降落伞回收系统。第二种方案较为先进,可大大减少降落伞的重量和体积,不过还处在试验阶段。     

超声速透气降落伞系统的气动干扰数值模拟研究

盘–缝–带伞是目前主流的火星用超声速降落伞,然而由于其阻力性能的限制,新一代的火星探测任务已经开始考虑采用环帆伞来获得足够的阻力性能。同时,在超声速条件下,由于稳定性的需要,透气性对降落伞系统减速性能的影响研究日益受到重视。文章基于计算流体力学方法对不同孔隙率的降落伞系统模型进行数值模拟,旨在分析开缝位置及孔隙率对环帆伞气动性能的影响机理。结果表明:在马赫数为2的大拖拽距离比条件下,无缝环帆伞系统流场与盘–缝–带伞有较大区别,主要表现在伞前激波的形成过程及前体尾流和伞前激波的作用阶段上。此外,开缝产生的孔隙率对环帆伞的减速性能有较大影响。开缝伞形的阻力性能劣于无缝伞形,但稳定性能显著高于无缝伞形。而前缝伞形的稳定性能及阻力性能均优于后缝伞形。该结果对超声速降落伞的伞型结构透气性参数设计有一定的参考价值。     

火星探测器降落伞系统综述

文章介绍了美国火星探测器降落伞系统组成和验证试验情况；分析了5种不同探测器降落伞系统的具体差异；归纳了探测器降落伞系统的结构和性能参数；重点介绍了“凤凰号”和“火星科学实验室”降落伞系统研制过程和性能验证试验。     

火星探测器降落伞系统综述

文章介绍了美国火星探测器降落伞系统组成和验证试验情况;分析了5种不同探测器降落伞系统的具体差异;归纳了探测器降落伞系统的结构和性能参数;重点介绍了"凤凰号"和"火星科学实验室"降落伞系统研制过程和性能验证试验。