火星车低气压无风热环境模拟试验技术

为模拟火星车工作时所处大温差、低气压环境,文章以自主研制的调温热沉系统和压力控制系统为依托,实现试验容器热沉系统温度在-135~27℃间任意快速调节,均匀性优于±5℃;试验容器内气体压力控制值与目标压力值之差在±10 Pa之内。在国内首次完成无风环境下的火星车温控模拟舱验证试验,为火星车热分析模型修正以及后续火星车有风热环境试验提供了参考。     

萤火一号火星探测器长火影热控设计及试验验证

根据萤火一号(YH-1)火星探测器面临长期火星阴影环境特点,对探测器的长火影热控设计及深冷试验验证进行了研究.给出了YH-1火星探测器长火影热控自主控制流程,以及各阶段热控方案.改造现有真空环境模拟器,完成了我国第一个实现全包络20 K超低温背景模拟的探测器级真空热试验.长火影试验结果表明:YH-1火星探测器热控设计能满足度过长火影的温度要求,各单机能在出火影后成功唤醒正常工作.     

火星探测器热环境模拟与试验技术探讨

为保证火星探测器的可靠运行,需要对其进行真空热试验和火星表面热环境模拟试验。文章通过对国外火星探测器热试验的调研,梳理出热试验所涉及的关键技术。并通过对行星际空间热环境和火星表面热环境特点的分析,结合国外相关热环境模拟设备的研制使用情况,探讨不同热环境的地面模拟方法,可为我国火星探测器热环境试验设备的研制及开展相关热试验提供技术参考。     

稳压CO2气体氛围火星环境模拟试验系统设计

火星表面低压和低温的大气条件意味着传统的热真空试验设备不能满足火星探测任务型号的地面模拟试验需求。为此,设计研制了以CO_2为气体氛围的火星环境模拟系统。采用气氮调温解决了罐体结露的问题,并采用移动压力控制系统保持在试验温度范围内CO_2气体状态和压力稳定。该系统已成功用于多个火星探测器型号部件产品的地面模拟试验,为火星探测任务开展提供了支持。     

火星表面大气环境下热球风速仪的对流换热模型及试验验证

火星表面大气环境与一般轨道航天器所处的空间环境存在差异。为了实现极端环境下热模型修正、早期故障筛除、性能测试等目的,一般需要在模拟的低气压有风环境下对火星巡视器进行热试验,试验涉及在1400 Pa左右压力的环境下对0～15 m/s风速进行模拟和测量。文章针对极低气压下的风速测量问题,使用无量纲数分析方法建立恒热流式热球风速传感器表面的换热模型,对其在低气压下的输出、自然对流影响等进行分析,并与低气压下的测试结果进行对比。试验结果显示,在1400 Pa低气压下,热球风速探头表面仍以强制对流换热为主,探头灵敏度约为10.1～0.2 mV/(m·s~(-1)),可以用于极低压力下的风速测量。     

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。     

真实气体效应对MSL火星进入气动特性的影响研究

探测器超高速进入火星过程的高温真实气体效应对飞行稳定性和防热系统影响极大,需要在初步设计阶段对探测器的气动力热特性进行精确预测。文章构建了采用流场直角与表面非结构混合网格以及网格自适应的直接模拟蒙特卡洛方法,模拟稀薄环境高温真实气体效应的依赖于温度的多原子分子振动激发和8组份54化学反应模型。通过计算"火星探路者"外形气动力系数随攻角的变化,并与文献提供的计算结果对比,有较好的一致性,验证了该文算法的可靠性。文章模拟了"火星科学实验室"在火星大气环境70km高度、进入速度为5.85km/s下的高温真实气体效应对气动力、气动热和流场特征的影响。通过与完全气体计算结果对比,表明高温真实气体效应影响下的激波脱体距离减小,表面热流降低,轴向力系数增加、配平攻角减小、压心位置随攻角变化显著。     

火星车有风热平衡试验环境模拟技术

为了保证火星车在火星表面能够正常工作,需要在地面模拟火星表面的有风热环境,包括风速、风向、气体温度、气体成分和压力等,完成火星车在火星表面有风热环境下的热平衡试验。针对火星表面有风热环境特点,开展低压风速模拟、低压风速测量、压力控制、温度控制等研究,利用现有的KM3E真空容器,在其内部增加特殊设计的风扇、导流装置、压力控制系统、气体温度控制系统、火星车姿态调整系统等,使KM3E具备火星表面有风热环境模拟条件。该模拟技术成功应用于火星车有风热平衡试验,充分验证了火星车热控系统设计,为火星车热分析模型提供了重要参考。     

行星自动探测器热工况制定的方法及其热真空试验

论述了 Lavochkin 科学制造公司完成的火星、月球、维加探测器热工况制定的基本方法,该公司是金星4-16号、火星2-7号、月球15-24号、登月车1-2号、维加1-2号及其它一些航天器的主要设计者。在模拟进入火星大气、金星大气云层和到达金星表面的环境时,为制定自动探测器热工况,需要考虑许多复杂的方式。     

高超声速气流非结构化网格DSMC算法研究

高超声速气动热力学环境的研究是直接涉及飞行器轨道控制、热防护设计的关键问题之一。文章通过研究稀薄气体热化学非平衡态中的热力学环境,采用非结构化DSMC程序对“火星探路者号”（Mars Pathfinder）探测器的Ballute减速装置在地球大气层和火星大气层中的高超声速飞行进行了数值模拟,计算得到了流场的温度分布、探测器壁面的热流密度分布,分析表明稀薄气体热化学非平衡态对飞行器流场有影响。将仿真结果与NASA兰利研究中心的计算结果作了比较,二者吻合很好。研究结果可用于飞行器热防护设计。     

天宇来风

中国CHINA中国火星探测器模型曝光3月7日,"十一五"国家重大科技成就展在北京国家会议中心拉开帷幕。在这次展览中,我国自主研发的火星探测器模型首次与公众见面。火星探测器模型在公众面前展露真容,引起了在场观众的极大关注。火星探测器主要由火星环绕探测器和小型着陆探测器组成。将对火星地形地貌、地下水源、物质的化学成分进行探测、分析。同时,也会对火星表面的气压、温度和风沙等气候情况进行监测,并将拍摄的照片和数据及时传回地面,为后续火星探测任务作准备。火星作为距离地球最近的类地行星,由于独特的科     

进入火星大气的高温真实气体效应与气动加热研究

针对火星和地球大气分子热力学和化学行为的差异性,采用理论分析和数值模拟两种手段,研究探测器进入过程高超声速流动的分子振动激发、离解反应及热力学和化学非平衡等真实气体效应,获得不同气体模型条件下的高超声速气动加热规律,探究引起地火差异的根本原因。分析认为,探测器进入火星大气层的稀薄气体效应明显;激波层内发生CO 2气体为主的大规模离解,在极高温环境下O 2和CO也将离解;沿进入轨道的高超声速流动基本处于化学非平衡但热力学平衡状态;激波层内能量储存和分配模式因分子振动激发和化学反应而改变,分子振动激发会增强气动加热量,但均介于化学反应模型的完全非催化和完全催化壁结果之间;相同来流条件下CO 2介质高超声速气动加热强于空气介质,但真实的火星进入热载荷因大气稀薄而弱于地球再入环境。相关研究为我国未来火星探测器热防护系统设计提供技术支持。     

模拟火星大气环境对典型柔性结构热防护特性的影响

随着深空探测任务的逐步开展,火星被视为最重要的载人探测目的地之一,而火星大气环境给柔性结构的热防护带来挑战。文章以舱外航天服手套为柔性热防护结构的研究对象,通过建模实现了舱外手套在火星大气环境冷工况下漏热功率的分析,并开展了模拟火星大气环境下舱外手套的热防护试验研究。结果表明:相比于近地轨道应用,现有舱外手套的热防护能力在火星大气环境中将显著降低,在冷工况下手套的漏热功率超过10 W,且局部热防护不足。在此研究基础上,文章对分析模型的完善、试验方法的拓展以及柔性热防护结构的改进等进行了展望。     

“天鹰”系列运载器助力火星探测降落伞高空开伞技术验证

正火星探测器在实施火星着陆过程中有一段伞系减速段(见图1),需要在火星稀薄大气的条件下采用降落伞进行减速,在距火星表面约11 km的高度打开降落伞,将探测器速度由460 m/s减速到95 m/s左右[1]。这个过程中,能否成功实现高空开伞是关键一步。     

一种半解析方法火星再入探测器一体化设计模型

提出了一种火星再入探测器的半解析法一体化模型,为未来火星探测器的初步设计提供包括弹道、气动参数、防热系统在内的设计依据。在任务初步设计阶段,由于涉及多个学科,火星大气与地球大气模型差异很大,需要考虑的因素很多,因此需要一个半解析的,能够实时进行弹道、气动参数和防热层温度分布计算的设计工具。该工具应该包括气动外形、弹道、防热为一体的设计模型,且能满足计算负担要求。基于此,提出了一种普遍适应的火星探测器外形定义方程,并对其中的一种特殊情况进行了解析公式的推导。在合理假设的前提下,给出了计算防热层内部温度分布的半解析计算公式,并以MER\|B (Mars Exploration Rover)探测器为例进行了弹道和气动受热仿真。计算结果表明,该一体化计算模型的仿真计算落点与实际落点很接近,达到了火星探测器初步设计阶段一体化的计算要求。
     

星载激光通信终端在轨机动对温度影响

对激光通信终端在轨瞬态温度变化开展了仿真,以期研究在轨机动的影响、热分析和热试验时机动模式的简化模拟。通过合理地分析与简化,建立终端的轨道热分析模型,准确模拟在轨机动,根据典型机动模式、外热流和涂层退化等因素设计了计算工况,得出了终端在轨运行过程中的温度场随时间和姿态变化规律。结果表明：不同机动模式下的温度变化存在差异,最大可达23.0℃,采用固定姿态或一维转动的简化热分析或热试验不能准确模拟实际飞行温度,甚至不能部分替代二维转动热分析或热试验;光学天线和反射镜的温度控制是制约终端工作的瓶颈,为终端设计合适的避光机动策略,可大幅度提高温度稳定度和均匀度。研究结果可以为光机电设备在轨机动策略的设计和改进提供参考。     

“奥德赛”光临火星

美国宇航局的“奥德赛”火星探测器已于10月23日深夜进入火星轨道,并于27日首次进入火星上层大气、深入到距火星表面不到157km内的空间区域,同月30日向地面传回第一张火星的热红外照片,开始其对火星探测的正常工作。耗资2.97亿美元的“奥德赛”探测器的主体呈正方形,两侧配有翼形太阳能装置,并携带遥感成像系统、γ射线谱仪、火星辐射测试仪以及由俄罗斯研制的高能中子探测器,能对火星表面进行水、矿物质和辐射水平等方面的探测。     

轻质化高性能中室压推进系统助力天问一号实现首次火星探测任务

正天问一号首次火星探测任务通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视三项工作目标,开展火星全球性、综合性的环绕探测,以及在火星表面开展区域性的巡视探测。这是一次中国航天史上深空探测的重要里程碑。本次任务的火星探测器系统由环绕探测器和着陆巡视器组成。环绕探测器只在火星的轨道上飞行,相当于火星的卫星。着陆巡视器则真正进入到火星的大气层,并在火星表面着陆。中室压推进系统是着陆巡视器的动力减速装置(图1)。     

面向火星表面巡视探测的热惯量反演模型及试验验证

基于火星表面土壤温度的昼夜周期性变化特性,建立了一种面向火星表面巡视探测的热惯量反演模型,可根据表层不同深度的热电偶测温数据计算被测区域的热惯量,实现表面巡视探测过程中的热惯量在线反演。为验证模型正确性,在地面建立了火星表面热特性试验测试系统,通过对比被测模拟火星土壤的热惯量实际值与模型计算值,验证热惯量反演模型的精度。结果表明,与试验模拟火星土壤的热惯量数值相比,该模型对热惯量的反演误差小于6%,为在线反演火星表面不同土壤地形的热惯量,辅助识别地形可通过性提供了一种可行方法。     

前苏联/俄罗斯火星探测器研制特点

介绍了前苏联/俄罗斯火星探测器概况,分析了其火星探测器太阳电池阵、结构、测控、推进、热控,以及综合测试等分系统的先进技术特点与设计理念.其产品的模块化、测试的自动化、优化的发射流程可为我国未来火星探测项目提供借鉴.