飞行器进入火星大气的流场预测

针对火星着陆探测器进入-下降-着陆过程的高超声速进入阶段, 利用三维并 行程序求解流体动力学Navier-Stokes方程与化学反应动力学模型, 分析火星 科学实验室进入火星大气时探测器周围的流场结构、化学非平衡效应影响和气 动特性变化规律. 结果表明, 对于完全气体模型, 来流的热力学性质参数选 取影响激波位置和强度. 在化学非平衡效应影响下, 探测器头部激波脱体距离 大幅减小, 驻点压力变化不大, 波后温度显著降低. CO₂在激波后大量分解, 消耗相当能量. 流线结构显示, 探测器尾迹流动中存在复杂的旋涡运动等流动 分离现象.     

火星进入的气动力特性预测模型分析

火星大气环境对飞行器进入带来了新的挑战,气动力预测是首先需要解决的问题.针对火星探测器的高超声速进入问题,利用三维并行程序求解流体力学Navier-Stokes方程,分别考虑真实气体模型和完全气体模型,分析模型及参数对气动力特性预测的影响,旨在得到准确、高效和可靠的火星进入器气动力特性预测模型.采用真实气体模型对海盗号进行了沿飞行轨道的数值模拟,气动力特性预测结果与飞行数据一致,验证了火星大气热化学模型及数值方法.分别采用真实气体模型和完全气体模型对海盗号升力式进入和探路者号零攻角进入进行了气动力特性预测,结果表明采用等效比热比的完全气体模型的预测值非常接近真实气体模型,偏差均在1%左右,配平攻角相差约0.4°,来流比热比模型的气动力特性预测值偏差很大.火星进入器的气动力预测建议采用真实气体模型和等效比热比完全气体模型.     

电离对高超声速热化学非平衡气动热环境的影响

高超声速飞行,激波后高温气体会发生电离,飞行器气动热环境复杂。5组元（N₂,O₂,NO,O,N）、7组元（N₂,O₂,NO,O,N,NO+,e-）和11组元（N₂,O₂,NO,O,N,N₂+,O₂+,NO+,O+,N+,e-）热化学反应采用Gupta化学反应模型,分别数值研究电离作用对高超声速热化学非平衡气动热环境影响。本文分析了不同催化壁面条件下,高超声速热化学非平衡电离流场气动热环境特性。电离作用对激波离体距离和气动力载荷的影响很小。5组元热化学非平衡不考虑电离作用,流场温度和壁面热流密度偏大。11组元热化学平衡强电离流场温度最低;7组元热化学非平衡弱电离流场NO+和e-生成量过低;11组元热化学反应能对热化学非平衡电离流场气动力和热流密度载荷可靠预测。壁面催化作用会增大壁面热流密度,但它对高超声速热化学非平衡电离流场温度和气动力载荷的影响很小。      

临近空间大气密度扰动对高超声速飞行器气动热环境的影响

基于TIMED/SABER 2002—2018年大气密度观测数据,统计分析了20~80 km大气密度扰动对高超声速飞行器飞行热环境的影响。根据驻点热流估算方法给出的大气密度变化量与热流变化量之间的关系,定性和定量分析了不同月份大气密度相对变化量引起的热流变化量在垂直和水平方向的分布特征。研究表明:SABER大气密度月年均值计算的热流相对USSA76在夏季半球中高纬度地区偏高,在冬季半球偏低。在夏季半球高纬度地区约80 km附近存在热流增量的极大值,南半球夏季的极大值高于北半球夏季,尤其在南半球1月份,热流偏高可达32.2%。在经度方向,热流分布在夏季半球差异较小,冬季半球差异较大;考虑真实大气中存在的扰动时,在南半球和北半球夏季80 km附近,SABER大气密度预测的热流分别比USSA76偏高可达40.7%和36.6%。在经度方向,大气扰动引起的热流经向分布差异显著。在飞行器设计时,大气扰动的影响不能忽略;高超声速飞行器飞行应避免在夏季穿越南半球和北半球,规避热流增加带来的风险。      

基于耦合气动参数的HGV多模型估计

利用气动参数对未知气动力建模是提高高超声速滑翔目标跟踪精度的有效途径。对目标气动加速度及其导数项进行分析,在非耦合气动参数模型的基础上,考虑气动加速度在转弯和俯仰方向存在的先验信息,推导滚转和螺旋2种耦合气动参数模型。利用一种分离估计模型对目标状态与气动参数进行估计,分别给出状态滤波器和气动参数滤波器的表达式。同时,考虑不同飞行模式下参数的机动频率,构建基于耦合气动参数的交互多模型跟踪算法。仿真表明,本文所提算法精度显著高于针对该类目标的其他跟踪算法。同时,滚转模型的性能优于螺旋模型,且计算复杂度更小。      

高超声速热化学非平衡对气动热环境影响

高超声速气动加热严重,考虑热化学非平衡对气动热环境影响,可以为热防护系统设计提供有效保障。采用Park和Gupta热化学非平衡模型,数值计算研究5组元(N_2,O_2,N,O,NO),17组化学反应的热化学非平衡效应对高超声速飞行器气动热环境影响,并与完全气体和热化学平衡模型进行对比分析。热化学非平衡模型流场温度及激波距离均比完全气体模型小。激波后气体密度因离解、化学反应而增大,且气体密度越大,激波距离越小,热化学平衡模型激波距离最小。完全气体和热化学平衡模型热流载荷计算值均比实验值偏大。Park和Gupta热化学非平衡模型数值计算激波距离及气动力载荷差别小。Park模型热流载荷计算值偏大,Gupta模型与实验结果相符,它可对气动热环境可靠预测。     

一种火星大气密度三维解析模型

根据火星大气数据库,建立了以高度和经纬度为输入的火星三维解析大气密度模型;在竖直方向上,采用分层指数模型;在水平方向上,将指数模型中的参考密度和参考高度视为经纬度的多项式函数,并通过最小二乘曲面拟合得到了多项式系数。相比传统的指数模型,三维指数模型不仅反映了火星大气密度随高度的变化规律,而且能够体现出大气密度在水平方向上的变化。与大气数据库相比,三维密度模型具有解析形式,计算速度快,仿真过程中只需存储简单的多项式系数即可实现密度的实时计算和调用,适用于地面实时仿真。     

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。      

火星信道衰落特性对通信链路预算的影响

对火星星体段的信道衰落特性进行研究.通过对近火段自然环境因素的分析,提取影响火星通信性能的因素,重点分析火星的大气、云雾、沙尘对通信信道的衰落作用机理;并以NASA实际火星探测任务为例,针对以上衰落因素对UHF,S,X和Ka频段下的通信链路影响情况进行仿真;结合实际探测数据对地球通信链路预算模型进行修正,提出一种适用于火星通信链路预算的模型;明确火星大气衰落、云雾衰落、沙尘衰落的取值范围.研究结果可作为火星及其他深空探测任务的通信系统设计与链路复核复算的参考.     

一种适用于火星气动捕获的自适应预测制导算法

火星探测捕获制动需要的速度增量大,制动消耗燃料多,因此针对火星大气密度低、大气不确定性强等问题,提出一种基于解析及自适应预测校正结合的分段式气动捕获制导算法,实现无人钝头体飞行器由双曲线接近段轨道到目标停泊椭圆轨道的轨道转移.考虑到多约束条件,将制导算法分为高度数值预测校正 高度保持 入轨控制3个阶段,其中第三阶段使用基于一阶特征模型的全系自适应预测校正算法.该方法利用施加控制量的时间与最终半长轴改变量的关系形成动态输入变换,以抵消该系统一阶特征模型输入输出间巨大的动态增益.仿真结果表明,该算法即可满足一定的多约束条件,同时能够克服较强的初始条件不确定性和环境不确定性,具有较强的鲁棒性.     

The statistical treatment implemented to obtain the planetary protection bioburdens for the Mars Science Laboratory mission

NASA Planetary Protection Policy requires that Category IV missions such as those going to the surface of Mars include detailed assessment and documentation of the bioburden on the spacecraft at launch. In the prior missions to Mars, the approaches used to estimate the bioburden could easily be conservative without penalizing the project because spacecraft elements such as the descent and landing stages had relatively small surface areas and volumes. With the advent of a large spacecraft such as Mars Science Laboratory (MSL), it became necessary for a modified—still conservative but more pragmatic—statistical treatment be used to obtain the standard deviations and the bioburden densities at about the 99.9% confidence limits. This article describes both the Gaussian and Poisson statistics that were implemented to analyze the bioburden data from the MSL spacecraft prior to launch. The standard deviations were weighted by the areas sampled with each swab or wipe. Some typical cases are given and discussed.     

“火星科学实验室”巡航段导航、制导与控制

介绍了美国最近实施的火星着陆任务——"火星科学实验室"在巡航段的姿轨控制和导航系统、巡航轨道控制的约束条件、控制策略设计和执行过程,并对巡航段导航、制导与控制相关经验进行了分析和总结,对于我国即将展开的自主火星探测具有一定的参考价值。可以得到的启示包括:通过蒙特卡洛仿真制定详尽的轨道控制策略,对非引力作用进行精确建模并标定,细化各种故障预案,选择合适的运载火箭入轨瞄准点,并增加海外测控站。     

利用数字高程模型自动检测火星表面陨石坑

为了克服利用影像识别陨石坑的诸多限制因素,利用"火星全球勘探者"(MGS)火星激光高度计(MOLA)得到的火星三维DEM数据,转换获得地形曲率,然后利用设定阈值将曲率图转换为二值图像,结合图像分割floodin算法可以得到待检测陨石坑,最后利用Hough变换可以检测出陨石坑。其成功率达到73.4%,可以有效地从DEM中识别陨石坑。利用DEM识别陨石坑的方法可以识别更多新的陨石坑,为现存的陨石坑目录提供新的数据信息。