再入飞行器关键技术发展与展望

<正>再入飞行器返回地球大气层或者进入其他有大气天体的过程中,面临着极其严酷和复杂的力热载荷环境条件,为了保证再入飞行器能够安全可靠、准确到达预定位置,需要一系列关键技术的支撑,主要包括:先进气动布局设计与气动特性精确预示技术、再入动力学建模与分析技术、多约束轨迹规划与制导控制技术、高精准度的气动热环境预示技术、热防护系统设计及试验技术等。     

知识资料窗

知识资料窗航天器进入技术使航天器按预定要求进入行星大气层并在行星表面软着陆的技术。按航天器所要到达的目标星，分别有金星进入、火星进入和地球进入等，地球进入又称再入。有人把在月球上或其他无大气行星上的着陆技术也归入进入技术。进入技术是综合性技术，包括离...     

烧蚀传感器

一、烧蚀传感器的诞生烧蚀传感器是主要用于宇航工程试验的特种测量装置。随着宇航工程的进展,它的作用愈显重要,已在宇航工程仪器中独立发展成一个分支。中程以上的弹道式导弹、航行于地球与太空之间的回收卫星、宇宙飞船及航天飞机同传统的火炮、飞机相比有一个重要的特点是它们在外大气层飞行之后,以极高的速度重返地球大气层或进入其它星球的大气层。通常把它们重返(进入)大气层的这一部份称之再入飞行器。     

Chapman理论在再入走廊计算中的应用

再入走廊给出了飞行器满足任务要求、并安全返回地球的再入飞行范围,它是再入轨道优化、再入方案设计、再入飞行任务规划等的重要部分。文章通过再入动力学建模,引入Chapman假设,进行了航天器从外层空间返回的再入走廊的研究,分析了影响再入走廊边界的重要因素,并以航天飞机为例计算了再入走廊,验证了该分析方法的正确性。     

航天器跳跃式返回的再入动力学特性仿真

深空高速再入返回是航天返回技术面临的新问题。研究采用跳跃式返回方式解决高速再入产生的高过载、高热流峰值问题。建立了完整的航天器再入大气层飞行动力学模型;依据航天器跳跃式返回飞行剖面和返回飞行的运动特性,将再入大气过程划分为初始再入段、初次再入下降段、初次再入上升段、大气层外飞行段和二次再入段,详细研究了各飞行段航天器的动力学特性,简要分析了各阶段的制导任务。通过分析仿真结果,初步摸清了航天器深空飞行跳跃式再入动力学特性。     

再入气动理论和实验的评述

战略武器的发展,要求进一步提高再入飞行器的突防能力、生存力和命中精度。现代高级再入飞行器主要是高β(弹道系数)再入的弹道式再入飞行器和机动武再入飞行器。本文所讨论的再入问题,就是指高级再入飞行器再入地球的大气层时所遇到的问题,整个再入系统虽然还包括材料、结构、遥测、控制等其它方面。但是再入动力学和气动热力学是再入系统的最重要问题之一,本文着重讨论这方面的现状、存在问题和解决问题的技术途径。 再入气动力学和气动热力学的主要问题是烧蚀防热问题,气动力问题,粒子云侵蚀问题,滚动问题,机动再入问题和再入物理等问题。解决这些问题要采用理论和实验相结合的方法,依靠理论计算、地面模拟试验和飞行试验等手段,通过综合分析提高设计计算的精度,寻找有效的措施保证性能要求。     

载人深空探测进入/再入走廊设计方法研究

载人航天器的进入/再入走廊刻画了进入地外天体或再入返回地球时允许的进入/再入角范围。载人深空探测进入/再入过程中,载人航天器必须满足进入/再入走廊约束,以避免经历过大的过载、热流和总加热量等力/热环境,威胁进入/再入飞行安全。文章研究载人深空探测进入/再入走廊的设计方法,通过融合载人航天器进入/再入预测校正制导,验证进入/再入走廊的可行性,并采用基于安全系数的偏差因素影响分析方法,获取进入/再入走廊的设计裕度。最后,以载人月地再入返回为例,具体阐明了再入走廊的设计方法,并通过数学仿真验证了设计方法的有效性。研究结果将为载人深空探测进入/再入走廊设计以及进入/再入返回总体设计提供技术参考。     

欧洲再入大气层试验飞行器

欧洲再入大气层试验飞行器是简单的不载人座舱式飞行器。它将随“阿里安5”火箭的第二次鉴定飞行发射升空。这是欧洲载人航天计划中的重要一步,旨在试验航天器返回地面的全套回收技术、获取在再入大气层阶段的各种参数,为正式设计载人飞船提供依据。文中对这种试验飞行器的总体及试验测量技术作了简要介绍。     

类Clipper再入返回飞行器气动特性分析

针对类Clipper再入返回飞行器的气动特性,采用近似反设计的方法,在飞行器外包络等约束条件下,通过形状控制函数,计算出类Clipper飞船的气动外形。基于计算流体动力学(CFD)数值模拟方法,研究分析类Clipper再入返回飞行器在不同高度、不同马赫数和不同攻角下的全空域/速域气动特性变化规律,并结合不同飞行状态下的压心位置探讨飞行器的稳定性。结果表明:类Clipper再入返回飞行器在不同飞行状态下能够具有良好的气动特性,最大升阻比可达1.1以上,属于中等升阻比再入,总体呈现出良好的静稳定性,可在未来作为具有可重复使用再入返回飞行器的方案之一。     

弹道式再入飞行器以配平攻角状态返回的轨道计算原理及相应的控制要求

弹道式再入飞行器一般为轴对称旋成体,但其质心可以偏离对称轴。我们称通过飞行器质心和对称轴的平面为飞行器的对称面。这种飞行器以配平攻角状态返回时,不仅要求其相对于地球的飞行速度矢量平行于飞行器的对称面、飞行攻角恰等于配平攻角,而且要求其相对于质心的转动角速度矢量垂直于飞行器的对称面,能使飞行器的姿态跟随飞行速度矢量的改变。基于上述考虑,本文给出了这种飞行器以配平攻角状态返回的轨道计算原理及相应的控制要求。     

美国充气减速飞行器近地轨道飞行试验分析

<正>2022年11月10日,美国国家航空航天局（NASA）按计划完成了“充气式减速器近地轨道飞行试验”（Low-Earth Orbit Flight Test Inflatable Decelerator,LOFTID）任务。LOFTID飞行器总质量约1088kg,充气展开直径约6.0m,再入速度8000m/s,再入段峰值温度约1650℃,峰值过载约9g。LOFTID飞行器从充气展开至顺利落入回收海域全程飞行约1h,圆满完成了近地轨道再入飞行试验。此次试验首次验证了第一宇宙速度再入返回气动减速技术,该任务的成功对开展以火星探测为代表的行星际任务具有重要的里程碑意义。     

载人登月返回再入有关问题初步研究

载人登月返回再入涉及到三体问题,且与近地轨道返回再入相比速度更大.因此再入方式的选择和再入弹道的设计涉及到飞行器的方案和再入返回的安全.通过对不同返回再入方式的对比分析,认为跳跃式再入是优选方案.再入点选择、再入过载、升阻比、再入航程、再入轨道倾角都是返回再入方案设计中需要考虑的问题,需结合工程实际进行深化论证,文章提...     

再入飞行器设计中的新挑战——天气侵蚀

在航天飞行器或弹道导弹战斗部再入大气层的过程中,会受到天气的障碍,从而严重地影响到再入飞行器的工作性能或作战效果。再入飞行器受天气影响的研究工作始于六十年代末。人们在克服“天气障碍”的认识方面经历了不同的阶段。起初,只关心晴朗天气理想再入的防热和热应力问题;以后,     

BHTV-1货运飞船结束任务

日本首艘无人货运飞船“H-2转移飞行器”（HTV）1于10月31日离开国际空间站．飞船由空间站机械臂从停泊口上拖开。11月2日，飞船利用其推力器离轨，在太平洋上空再入地球大气层．并被烧毁。     

升力体再入飞行器离轨制动方案及优化研究

离轨制动是确保天地往返飞行器安全、准确返回既定着陆场区的前提。文章借鉴载人飞船再入返回飞行的工程经验,对升力体再入飞行器的离轨制动总体方案进行分析,阐述了离轨制动任务剖面以及相关总体参数,依此确定离轨制动设计条件、设计约束。在此基础上,以典型升力体再入飞行器为例,仿真分析给出了升力体再入飞行器离轨制动时序设计和离轨制动策略方案,得到涵盖离轨制动策略、离轨制动时序的升力体再入飞行器的总体设计方案。最后,通过灵敏度分析确定了优化设计变量,开展了离轨制动多学科优化设计的关键技术研究。相关研究内容可为升力体再入飞行器离轨制动的具体工程实施提供技术参考。     

轻小型再入飞行器发展研究

为实现深空探测无人取样返回任务,目前国外普遍采用轻小型化返回飞行器,并已取得较大成功。文章概述了星尘号、起源号和隼鸟号3个典型深空高速再入返回器的情况及技术特点,在此基础上分析了我国开展轻小型再入返回器研究的技术需求及发展建议,指出需要在高速再入返回气动技术、轻小型高速再入返回热防护技术、超声速降落伞回收技术、轻小型机构与综合电子技术等方面进行突破。     

日“隼鸟”小行星探测器回到地球

<正>在天外漂泊7年、飞行约60亿公里的日本小行星探测器"隼鸟"6月13日回归地球,其样品回送舱在澳大利亚南澳州偏远的伍默拉沙漠地带着陆。按照预想,探测器主体在再入地球大气层的过程中被烧毁,在夜空中形成了一个明亮的火球。     

欧洲与日本考虑从空间站运货回地球

据“太空飞行现在时网”2010年8月27日报道,欧洲与日本的航天局正考虑对其机器人空间站服务飞船进行升级,以此实现运送货物返回地球,这有可能在2020年为载人太空舱打好根基。两航天局的官员希望在2011年前对新的宇宙飞船做出决定。目前,两航天局还没开始研制载人飞船,但都已开始设计将货物运回地球的再入飞行器。一旦2011年航天飞机退役,从空间站运输货物返回地球的能力将严重短缺。     

飞船在大气层外飞行段的主要参数对轨道的影响

飞船返回地球时再入速度很大,过大的过载和气动加热率尤其对载人飞船带来安全性问题。如果利用航天器在大气层外及其边缘处多次再入运动,可降低速度、耗散热量。文章主要分析了载人飞船在大气层外多次再入飞行时的各主要参数对飞船轨道和轨道终点的影响。在分析过程中,首先建立了飞船在大气层外飞行的数学模型,进而通过大量的数值仿真得到一条基准轨道,在此基础上分别改变轨道起始点参数（倾角、偏航角和飞行速度）的初始值,分析轨道的特性及轨道的终点误差。最后根据起始点参数值和对应的轨道终点误差值的关系,得到了飞船在大气层外飞行时的起始参数对飞行轨道及轨道终点影响的敏感度,从而为工程上轨道的设计提供一个有效的参考依据。     

基于Orbiter的航天器升力式再入特性仿真

升力式再入是指航天器进入大气层时产生一定可控升力,对提高落点精度具有重要意义。为了研究升力式再入的动力学特性,采用Orbiter模拟器的应用程序接口,在其飞行动力学模型基础上,对航天器从低轨道升力式再入返回过程进行仿真。通过仿真试验,分析热流、过载、动压等参数的变化规律,初步摸清了升力式再入的动力学特性,并对升力式再入和弹道式再入仿真结果参数进行了比较和分析,结果表明升力式再入能很好解决过载和热流峰值高的问题。