柔性热防护系统及相关热考核试验

柔性热防护系统为高超声速充气气动减速器的防热需求而发展,主要为大质量地球再入及未来火星的进入、下降和着陆系统的防热而研发。本文介绍了美国针对高超声速充气气动减速器已经进行和正在策划的飞行试验情况以及火星进入、下降和着陆系统对柔性热防护系统的使用热环境需求。对柔性热防护系统的基本组成进行了介绍,详细描述柔性热防护系统的相关热考核试验。     

典型弹道升力式火星进入器性能比较分析

进入器的减速效率和着陆精度是火星进入、下降、着陆过程的关键问题,利用数值方法分析了火星科学实验室、"龙飞船"和"猎户座"飞船三种典型弹道升力式火星进入器的气动特性和进入轨迹,研究气动参数、进入姿态和进入器质量等参数偏差对开伞状态的影响,比较典型弹道升力式火星进入器气动特性和着陆性能,讨论几何构型对弹道升力式火星进入器性能的影响。研究结果表明:钝锥前体外形可以产生更高的阻力系数,但与球冠大底相比气动热环境也更严酷;同样的进入条件的前提下,三种进入器进入过程的最大过载和开伞高度相差不大,"龙飞船"的开伞动压相对较低,有利于降低减速伞系的开伞载荷。相关研究结论可为我国后续火星探测任务进入器气动外形设计提供有益参考。     

火星大气高温光谱建模与非平衡辐射热流预测

火星科学实验室成功着陆后的热环境重构数据表明,气动辐射加热在火星进入防热设计中具有不同于以往认识的重要影响,未知机制和模型不确定性等问题有待进一步研究。探测器高速进入火星大气产生极高温非平衡气动环境,造成火星气动辐射与常规CO₂红外辐射研究显著不同。针对火星大气高温光谱和辐射热流预测,首先,建立适用于火星大气的高温非平衡光谱辐射模型,获得典型高温条件CO₂光谱结构和辐射强度,与NASA和JAXA试验结果对比,结果显示符合较好。其次,依靠激波管和发射光谱测量技术,开展典型进入条件的辐射强度测量试验,数值结果、试验值和NASA试验结果相互符合较好,验证了光谱模型。最后,对探路者号进行气动辐射加热分析,完成典型进入条件下的非平衡流动和辐射特性计算,基于光线法得到光谱辐射强度沿驻点线的变化,表明高速与低速条件的气动辐射机制存在显著差异;基于有限体积法获得进入器表面辐射热流分布,结果显示辐射热流的分布及变化规律与地球再入显著不同,进入速度6 km/s以下时辐射热流随进入速度增加而减小,同时进入器锥身及肩部的辐射热流高于驻点区域。     

火星进入器高空稀薄气动特性

针对火星稀薄大气环境进入器气动特性问题,以类火星科学实验室外形为例,计算分析火星稀薄大气真实气体效应对气动特性的影响,给出火星高空稀薄环境下的气动特性规律。研究发现,随着飞行高度的增加,稀薄度增加,激波脱体距离、激波厚度增大,激波强度减弱,明显的激波结构逐渐消失,流场等值线更趋于圆弧状分布;真实气体效应使得迎风面压缩及背风面膨胀增强,轴向力、法向力及顶点力矩系数等预测结果与完全气体模型预测结果相比绝对值偏大;随着稀薄度增大,轴向力、法向力及顶点力矩系数等绝对值增大,在同样的迎角下,随稀薄度的增加,纵向压心前移,进入器的静稳定性变差。     

火星探测器气动热环境和气动力特性的数值模拟研究

针对探测器进入火星大气过程中的高温气体非平衡效应及其气动热环境和气动力特性的精确预测问题,考虑火星大气高温混合气体的化学反应、束缚电子能激发效应、分子振动能激发效应和非平衡效应,以及不同表面催化特性和表面温度条件的影响,建立了数值模拟热化学非平衡流场的计算方法,并通过与平头圆柱试验模型和MESUR火星探测器的试验与计算数据对比分析,验证了计算方法的可行性与有效性,然后对典型火星探测器的气动热环境和气动力特性进行了数值模拟分析。研究结果表明:1)对于本文的计算状态情况,火星探测器流场中化学非平衡效应非常严重,存在一定的热力学非平衡效应;2)热力学模型、化学反应模型和表面催化特性对气动热计算有着重要影响;3)气体模型对气动力特性的预测影响较大,表面温度条件和表面催化特性对气动力系数的计算影响较小。     

保形烧蚀材料及相关气动热试验

保形烧蚀材料基于酚醛浸碳烧蚀材料而发展,主要为未来火星的进入、下降和着陆系统的防热而研发。本文简要回顾了酚醛浸碳烧蚀材料的发展及运用,对保形烧蚀材料的应用需求进行了介绍,主要描述了保形烧蚀材料的定义、研制过程及相关气动热试验。     

火星进入器高超声速化学非平衡特性数值计算研究

火星探测活动是当前国际深空探测领域的热点,而探测器的进入、下降和着陆阶段的气动特性预测是关系其布局和热防护系统设计的关键问题之一。针对火星进入器高超声速进入过程,发展了火星环境的高超声速化学非平衡流动数值模拟方法,建立了进入段气动特性的有效预测技术。以探路者号火星进入器防热大底为研究对象,采用5组分6化学反应模型开展典型弹道点上的化学反应流动数值模拟。结果表明:CO_2在激波层内发生较大程度的离解反应,火星进入器高超声速化学非平衡特性显著。因化学反应作用强烈,激波层内热传导所致热流量相对较低,而组分扩散造成的热流量占一定比重,计算所得的驻点总加热量与经验公式吻合良好。火星环境的化学非平衡特性的有效预测可为我国未来火星探测任务提供技术支持。     

火星进入减速器技术综述与展望

随着火星着陆探测任务的不断推进,火星采样返回、载人登陆火星和火星基地等任务要求能将更大、更重的探测器着陆到火星表面,这就需要在火星大气进入阶段进行高效减速。基于以往成功的火星着陆探测任务,首先系统地回顾了火星进入段气动减速技术的发展历史;然后,结合火星进入过程的特点阐述了火星进入段减速设计的必要性及其面临的挑战;接着,系统地总结了充气式气动减速器、可展开式气动减速器和超声速反推减速器的系统构成和研究进展;最后,对这3种减速器技术的未来发展方向和亟待解决的关键问题进行了比较全面的分析和展望。     

MSL测控特点以及自主火星探测测控关键技术

火星科学实验室任务测控通信与导航技术代表了目前该领域的最新方向。在结合火星科学实验室任务特点并对其对测控通信系统设计性能、导航性能进行分析的基础上,以未来的自主火星探测以及火星采样返回任务为潜在工程应用目标,结合我国月球和深空探测测控系统的现状,梳理了我国未来自主火星探测中火星中继网络、火星探测器精密定轨,以及火星大气进入、下降和着陆过程中的信号检测与估计等关键技术。该研究对后续的自主火星探测测控通信系统的设计具有一定的参考价值,对推进我国深空探测测控系统的发展具有重要意义。     

火星探测着陆器气动布局研究

火星探测活动是当前深空探测领域发展的热点,火星探测着陆器进入过程的气动布局问题是火星探测器设计的关键之一。根据国外火星探测器气动布局及地球轨道再入返回舱气动布局,从大气环境和布局形式两个方面出发研究火星探测器的主要气动特点,基于工程算法讨论了探测器所处大气环境及其布局形式对其高超声速升阻特性、配平特性及静稳定性的影响规律。大气环境分析表明,在高超声速进入条件下,火星大气热力学性质的改变,会改变高超声速气动力的大小和分布,会增加探测器的升阻力系数,对探测器的升阻比和配平特性影响很小,略提高飞行静稳定性。布局形式分析认为,球锥布局的防热大底较球冠布局具有更大的气动阻力,有利于着陆器减速,且较小的法向偏移量可实现足够的配平需求;球锥布局俯仰静稳定度对轴向的敏感度较低,也是探测器从气动考虑选用球锥布局的原因。相关研究结论可为火星探测着陆器的气动布局设计提供理论参考和技术支持。     

电弧加热器驻点烧蚀/侵蚀试验技术

介绍了在电弧加热器试验设备上进行复合材料烧蚀/侵蚀试验技术,通过改进电弧加热试验设备和粒子播发系统,将石墨粒子均匀注入到高压混合室中,与高温空气混合后经过超声速粒子加速喷管形成烧蚀/侵蚀试验流场,对驻点模型进行试验,同时建立了相应流场参数的测试、计算方法。并对C/C和含钨C/C防热复合材料的抗粒子侵蚀性能进行了初步研究。结果显示有粒子流场的均匀性和重复性较好,能满足材料的烧蚀/侵蚀考核试验要求,且含钨C/C材料的抗粒子侵蚀性能高于C/C材料。     

Disturbance observer-based robust guidance for Mars atmospheric entry with input saturation

With low-lifting capability taken into account,a robust guidance law for Mars entry vehicles with low lift-to-drag ratios,such as Mars Science Laboratory(MSL),is presented.Consider the nonlinear term in the drag dynamic equation and bounded disturbances as a lumped disturbance,and design a linear disturbance observer(DOB)to estimate it.With the consideration of the control input saturation,an innovative sliding surface and a virtual system are introduced to design the guidance law.Analyses of disturbance observer performance and Lyapunov-based transient performance are also presented.It is shown that the drag tracking error can be adjustable by explicit choices of design parameters.Simulation results confirm the effectiveness of the proposed guidance law.     

高超声速气动热预测技术及发展趋势

高超声速气动热预测技术是高超声速飞行器发展的关键技术之一。对高超声速气动热预测技术的发展情况进行了分析探讨。首先,简要回顾了国内外高超声速气动热理论预测及地面实验技术的发展历程;在此基础上,结合典型外形的计算与风洞试验结果的比较,重点介绍分析了气动热工程计算方法、数值模拟方法、气动热风洞试验设备的模拟能力及目前实验测试技术的研究水平;最后,对气动热预测技术的发展趋势进行了讨论,提出了气动热预测技术应研究解决的问题。     

基于径向基神经网络的气动热预测代理模型

为快速获取高超声速飞行器表面热流数据并缩短飞行器气动热设计周期,提出了一种基于径向基神经网络的气动热快速预测代理模型方法。首先,在飞行器表面每一个离散化的网格节点单独构造一种正则化的径向基神经网络。随后,通过训练集对所有网络同时进行训练,获得各自网络的连接权值。最后,所有网格节点的神经网络协同预测飞行器表面不同位置的热流。对NASA火星实验室的椭圆钝化高超声速飞行器的应用表明,所提出的代理模型方法在模型训练完成后能够快速进行飞行器表面热流预测,并且模型具有良好的泛化能力,在驻点及迎风大面积区域热流预测结果与数值模拟的偏差在10%以内。     

Collecting Samples in Gale Crater, Mars; an Overview of the Mars Science Laboratory Sample Acquisition, Sample Processing and Handling System

The Mars Science Laboratory Mission (MSL), scheduled to land on Mars in the summer of 2012, consists of a rover and a scientific payload designed to identify and assess the habitability, geological, and environmental histories of Gale crater. Unraveling the geologic history of the region and providing an assessment of present and past habitability requires an evaluation of the physical and chemical characteristics of the landing site; this includes providing an in-depth examination of the chemical and physical properties of Martian regolith and rocks. The MSL Sample Acquisition, Processing, and Handling (SA/SPaH) subsystem will be the first in-situ system designed to acquire interior rock and soil samples from Martian surface materials. These samples are processed and separated into fine particles and distributed to two onboard analytical science instruments SAM (Sample Analysis at Mars Instrument Suite) and CheMin (Chemistry and Mineralogy) or to a sample analysis tray for visual inspection. The SA/SPaH subsystem is also responsible for the placement of the two contact instruments, Alpha Particle X-Ray Spectrometer (APXS), and the Mars Hand Lens Imager (MAHLI), on rock and soil targets. Finally, there is a Dust Removal Tool (DRT) to remove dust particles from rock surfaces for subsequent analysis by the contact and or mast mounted instruments (e.g. Mast Cameras (MastCam) and the Chemistry and Micro-Imaging instruments (ChemCam)).     

The Juno Mission

The selection of the Discovery Program InSight landing site took over four years from initial identification of possible areas that met engineering constraints, to downselection via targeted data from orbiters (especially Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) Context Camera (CTX) and High-Resolution Imaging Science Experiment (HiRISE) images), to selection and certification via sophisticated entry, descent and landing (EDL) simulations. Constraints on elevation (\({\leq}{-}2.5\ \mbox{km}\) for sufficient atmosphere to slow the lander), latitude (initially 15°S–5°N and later 3°N–5°N for solar power and thermal management of the spacecraft), ellipse size (130 km by 27 km from ballistic entry and descent), and a load bearing surface without thick deposits of dust, severely limited acceptable areas to western Elysium Planitia. Within this area, 16 prospective ellipses were identified, which lie ～600 km north of the Mars Science Laboratory (MSL) rover. Mapping of terrains in rapidly acquired CTX images identified especially benign smooth terrain and led to the downselection to four northern ellipses. Acquisition of nearly continuous HiRISE, additional Thermal Emission Imaging System (THEMIS), and High Resolution Stereo Camera (HRSC) images, along with radar data confirmed that ellipse E9 met all landing site constraints: with slopes <15° at 84 m and 2 m length scales for radar tracking and touchdown stability, low rock abundance (<10 %) to avoid impact and spacecraft tip over, instrument deployment constraints, which included identical slope and rock abundance constraints, a radar reflective and load bearing surface, and a fragmented regolith ～5 m thick for full penetration of the heat flow probe. Unlike other Mars landers, science objectives did not directly influence landing site selection.     

自发汗冷却材料的研究现状

对自发汗冷却材料的种类及特点进行了简介,综述了自发汗冷却材料的几种主要制备方法及其优缺点,详细阐述了自发汗冷却材料的研究现状、影响因素及其应用,并对其发展方向进行了讨论.     

纳米石墨薄片的制备、表征与应用

为了获得适宜于同聚合物进行纳米复合的纳米石墨薄片(NGS),采用微波膨化制备膨胀石墨(EG),利用超声剥离与表面修饰获得NGS,并借助SEM、XRD、FTIR等分析其微观结构。结果表明:EG由许多厚100-300 nm的石墨薄片连接而成并形成网络结构,孔隙尺寸约几十纳米到几十微米;通过对EG的超声剥离可破坏其原有网络结构并将石墨晶片进一步剥离为大量30-60 nm厚的石墨薄片;石墨微波膨化与超声剥离过程中微观形貌的变化及其表面活性基团的引入,有利于进一步借助插层法实现聚合物与石墨的纳米复合。