充气式再入柔性热防护系统热流及结构研究

建立了充气式再入返回航天器的展开模型,用工程算法对整个再入过程的外热流和温度进行了估算。根据再入过程的外热流和温度条件,参考"充气再入飞行器试验"(Inflatable Reentry Vehicle Experiment,IRVE)典型热防护材料和结构设计,建立了柔性热防护系统结构模型及传热模型,通过ANSYS有限元方法计算出柔性热防护系统各功能层再入过程中的温度响应。文章从功能层材料、功能层铺层顺序和复合功能层三方面,初步分析比较了各种方案的充气式再入柔性热防护系统的防热效果,可为充气式再入返回柔性热防护系统的设计分析提供参考。     

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。     

一种两级减速再入返回系统优化设计

针对未来天体大质量取样返回需求,为了降低再入返回过程的热流密度和温度,避免降落伞被开伞时产生过大的载荷破坏,提高减速系统的工作效率,文章提出了充气锥+降落伞两级减速再入返回系统。首先,对不同取样返回方案的钝头半径进行总热流密度的优化设计;然后,获取了各方案中充气减速段驻点的热流密度、温度变化,降落伞收口、全展开开伞载荷和着陆速度;最后,根据返回舱质量与尺寸的关系,对取样质量进行估算。当返回舱的质量为6～8 t时,各方案驻点最大热流密度范围为3.35～11.4 MW/m~2,降落伞的最小收口充满载荷为77.1 kN,最小全展开充满载荷为159.9 kN。两级减速再入返回系统的样品舱质量可达3000～6000 kg。文章的研究结果,可为后续深空探测取样返回回收系统设计提供参考。     

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。     

一种姿控动力装置热防护研究

酚醛树脂作为一种烧蚀材料,凭借其耐高温的特性应用于航天器防热系统,其防热性能在工程实际中需进行考核。以某航天器一段包覆80纤维布/酚醛树脂的液路管路作为研究对象,以定热流为边界条件,采用仿真计算和热流试验的研究方法对空导管以及注水导管的温度场进行研究:仿真计算得出导管表面平衡温度分布以及导管表面具有代表性某点瞬态温度变化;为验证仿真计算的准确性,进行了热流试验,得出了导管表面以及水中温度测点的瞬态温度变化;根据热流试验的温度结果,分析比对了热流试验对仿真计算的验证情况。研究结果表明:80纤维布/酚醛树脂的防热性能符合温度指标要求;仿真结果和热流试验结果一致度良好,证明了仿真计算的合理性和准确性。     

航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护数值仿真研究

对航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护进行了全过程数值仿真研究.采用修正Lees驻点热流密度方法和参考焓方法计算再入热流密度.采用JANAF模型计算烧蚀率.利用有限元法计算钝锥体再入航天器烧蚀层在移动边界条件下的轴对称温度场.采用碳化层-热解面-原始材料的轴对称碳化烧蚀模型;推导了热解气体流量计算方法.针对再入飞行大热流密度条件下,用有限元方法求解瞬态温度场时会产生的时间和空间上解的振荡问题.通过分析温度振荡现象产生的原因,采用集中热容矩阵向后差分方法解决振荡问题.计算结果表明,在时间步长选择合适的情况下,求解集中热容矩阵能够很好地解决数值振荡问题,同时烧蚀率和温度场计算比较准确.     

充气式再入与减速系统用柔性热防护材料高焓风洞试验研究

为考察充气式再入与减速系统用柔性热防护材料的真实性能,文章根据前期的技术基础和各材料的技术参数,确定了柔性热防护材料的结构组成,并研制了热防护材料试验件进行高焓风洞试验。结果表明:所研制的材料能够承受热流密度为25 W/cm~2、持续时间最长达300 s的高温环境;Nextel氧化铝织物作为防热层在超过1200℃下能够有效阻隔热流;无机隔热毡起到了有效的隔热作用,可确保内部Kevlar织物处于250℃以下的环境中。材料满足一定的轻量化要求,试验后整体力学性能稳定,热防护性能不受折叠和缝纫工艺影响。     

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。     

充气式进入减速技术的发展

充气式进入减速系统适用于高超声速下飞行器的进入减速、可折叠展开,集成了气动热防护、气动减速和着陆缓冲等多项功能于一体,将成为航天器进入或再入返回的主要技术途径。文章首先归纳了数十年来充气式进入减速系统发展出的主要构型,简述了其主要性能特点;之后以几个典型项目为例,介绍了国际上充气式进入减速系统的发展情况。文章针对充气式进入减速系统最为重要的组成部分——充气展开柔性结构归纳了多场耦合及气动优化设计、轻质柔性耐高温材料、折叠包装与充气展开等关键技术。最后,对充气式进入减速系统的发展情况进行了小结,提出了应用展望。     

再入航天器陶瓷拐角环防热计算与结构适用性分析

文章基于近地轨道及探月返回再入热环境,应用超高温陶瓷到再入航天器的典型防热结构,计算分析了再入过程中的防热结构温度场。利用温度场计算结果,再结合超高温陶瓷抗烧蚀性能以及结构设计与工艺性分析,就超高温陶瓷作为再入航天器防热结构的适用性进行了深入探讨。结果表明,由于超高温陶瓷的优良耐高温及耐烧蚀性能,在近地轨道及探月返回再入航天器防热结构上具有良好的应用前景。