火星环绕器羽流效应仿真研究

火星探测器发动机羽流效应影响飞行任务的安全,采用差分求解NS方程与直接模拟蒙特卡洛耦合的方法对火星环绕器姿轨控发动机羽流力、热以及污染效应进行了仿真研究。结果表明:发动机羽流对火星环绕器气动力、热及污染效应影响主要在发动机储箱上,最大热流值可以达到1789 W/m~2,需要注意;发动机羽流对展开太阳能电池翼的气动力和气动力矩相对于发动机推力和推力力矩来说,小3~4个量级,影响较小;已分离着陆器在距发动机出口300 m以内时,羽流对已分离着陆器的影响较大,气动热流在100 W/m~2以上;在100 m以内时,气动热流在1000 W/m~2以上,需要对敏感设备采取一定的防护措施。不同热适应系数气动热流仿真对比计算结果表明,随着热适应系数的增加,热流密度值呈线性增加。数值模拟结果可以为火星环绕器工程设计提供参考。     

典型模拟火星土壤研究进展

火星土壤(简称火壤)是广泛分布在火星表面的细粒风化物质,其物理力学性质是火星着陆及巡视探测需要考虑的重要因素之一。回顾了火壤的探测历史,根据研制需求的不同,对国内外不同类型模拟火壤的物质组成、物理性质、力学特征等进行了对比分析。在此基础上,认为在模拟火壤研制方面面临以下困难和问题:缺少可供参考的火壤深层剖面数据;模拟火壤种类不全面;模拟火壤制备技术有待进一步改善。因此,未来模拟火壤的研制工作需要在以下几方面加强:①利用地表风化玄武岩剖面,进行模拟火壤剖面类比研究;②开展(含盐)冻土型、极端工况型等多种类型模拟火壤研制工作;③积极探索模拟火壤研制新方法。     

2012年度国外航空航天十大新闻

1"好奇号"成功登陆火星美国东部时间2012年8月6日1时30分,"好奇号"(Curiosity)探测器成功在火星着陆。这个美国国家航空航天局(NASA)耗资25亿美元的旗舰探测器,将在火星开始长达2年的探测任务。而此前,探测器火星表面着陆成功率仅为30%,多数火星探测器难逃坠毁、灼伤、失踪的命运。     

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。     

火星着陆发动机气凝胶材料热防护装置设计

大推力着陆发动机高温热防护技术对火星着陆任务安全至关重要。基于多级热辐射反射结构的常规发动机高温隔热屏在火星大气环境中使用时,因内部气体换热导致隔热性能显著衰减。为解决这一问题研发了一种基于气凝胶隔热材料的新型发动机热防护装置。根据火星探测工程任务服役环境防隔热需求,建立了考虑低压气氛与高温热流边界影响的瞬态传热模型,开展了新型隔热系统的外形锥度、隔热层厚度等关键结构参数的优化设计,通过三维瞬态仿真分析及与发动机联合试车地面试验验证了设计有效性。气凝胶热防护装置成功应用于天问一号火星着陆巡视器,实现了对着陆发动机1 500℃超高温的有效屏蔽。对在轨遥测数据进行反演分析,提出了基于气凝胶材料的高温隔热设计的优化改进方向。     

目标:火星极区美国"凤凰"号火星着陆探测器

8月4日,美国"凤凰"号火星着陆探测器从卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心发射升空,开始了它历时近10个月的飞向火星的旅程。在火星北极地区着陆后,"凤凰"号将通过挖掘并分析火星极区土壤样本以确定当地环境是否适合生物生存。     

充气式气动减速器气动特性数值分析

<正>根据"中国火星探测计划"的任务规划,我国预计将在2020年实现火星着陆巡视。要想顺利实现火星探测器的软着陆,精准地掌控从进入大气到着陆的EDL过程至关重要。EDL过程通常分为气动减速、降落伞减速、动力减速和着陆缓冲4个阶段~([1])。在载人飞船返回再入过程中,返回舱的大钝角锥形结构与大气层中的气体介质作用可产生与运动方向相反的气动阻力,以实现从地球再入速度至开伞速度的转变,此即为气动减速阶段~([2]),该阶段所完成的减速约占整个EDL减速过程的     

月球探测器发动机羽流辐射热流计算

火箭发动机羽流的辐射的计算需要求解气体介质的辐射传递方程(RTE).计算模型中基于单线组(SLG)模型考虑气体组分的光谱特性,并采用离散传递法(DTM)求解RTE,对波长积分得到辐射热流密度.通过对圆柱高温CO₂气团辐射热流计算来验证计算程序,然后在流场计算的基础上,计算了月球探测器主发动机和姿控发动机羽流对各部位和仪器的辐射热流密度,根据对不同工况计算结果的分析为探测器的设计提供参考.      

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。     

浮力修正湍流模型在航空发动机火灾模拟中的应用

由于发动机舱的火灾是典型的热驱动的浮力羽流,从探索浮力羽流的模拟方法出发,针对热羽流的基准试验,比较验证了3种基于浮力修正的2个方程湍流模型;利用pre PDF燃烧模型,模拟验证了Purdue甲烷火燃烧试验;以RR公司Trent 800发动机的1/2缩比短舱着火试验器为原型,采用RANS方法对由燃油泄漏引起的油池火进行了模拟计算,重现了短舱火灾的主要物理过程,并与试验测量的速度及温度结果进行了对比,验证了计算方法的准确性,并进一步分析了影响模拟结果的主要原因:湍流模型与燃烧模型能否准确计算近火源区域的火焰锋面状态,直接影响空气卷吸及下游火羽流的温度与速度。应用CFD技术,可以从防火设计的角度优化通风系统及短舱附件的布局。     

加拿大航天局计划探测火星

加拿大航天局近日宣布,将对加拿大研制火星探测器的可行性进行研究。探测器必须完全由加拿大研发,虽然加拿大没有运载火箭或发射台,但可以付费给其他国家发射自己的火星探测器。加拿大航天局表示,将授出为期6个月、价值25万美元的着陆或绕轨火星探测技术研发合同。加拿大航天局     

姿控发动机羽流的可见光/近红外特性

为了研究发动机羽流辐射特性对光学探测成像的影响,基于不同直径粒子散射理论、辐射传递方程和分子吸收线数据库,应用有限体积法,建立了火箭发动机羽流在不同波段的辐射特性计算程序.针对实际工作情况进行建模,开展某姿控发动机工作在环月球轨道时的可见及近红外波段羽流的辐射特性计算.在0.4~0.9μm波长范围内,针对羽流气体组分、波长、观察天顶角以及太阳辐射对羽流光谱的影响作了数值计算及分析.研究结果表明:应用有限体积法开发的程序较好地模拟火箭发动机羽流的辐射特性,并具有广泛适用性;在可见光和近红外波段,太阳辐射作用对火箭发动机喷流辐射特性影响最大.      

卫星姿控发动机混合物羽流场分区耦合计算研究

研究求解喷管内流场N-S方程数值计算方法,发展基于N-S方程物面边界滑移流理论计算技术。提出求解羽流核心区轴对称DSMC模拟方法与远场三维DSMC仿真方案,发展多组元混合物羽流DSMC仿真方法。研究求解卫星姿控发动机内外近场、远场、倒流区和物面相互作用影响区多流域流场分区耦合计算技术,建立了一套用于求解混合物燃气羽流及对太阳电池帆板与卫星体表面撞击污染影响数值模拟方法。通过对分别安装于某在轨卫星不同位置两个典型姿控发动机燃气五组元混合物羽流计算研究及相关结果对比分析,证实本文数值方法可靠性。     

环火探测器非球形引力摄动运动的频率分析方法

环火探测器的摄动分析解对于分析探测器轨道运动规律以及星载计算具有比较重要的意义。针对火星非球形引力摄动影响下环火探测器的运动,采用频率分析方法,对环火探测器轨道运动进行仿真,得到了与KAM理论一致的结果,在火星非球形引力摄动作用下的环火探测器轨道位于一个不变环面,可由3个角变量的频率描述。利用该方法,采用数值方法构建轨道运动的分析表达式,通过与数值积分结果的比对,证明该分析表达式具有较好的精度,适合长时间的轨道外推,可以满足航天任务的星载应用需求。该方法不仅可以给出环火探测器在任意时刻的轨道状态量,同时可以较高精度地确定3个角变量的变化率,反映一定的轨道变化规律。     

载人火星探测进展及其EDL过程GNC关键技术

随着火星探测技术的不断发展和探测任务的不断推进，载人火星探测在未来将会成为火星探测的重要手段。首先，回顾了无人火星探测任务的发展历程，对比分析了部分无人火星探测器进入、下降与着陆（EDL）过程的参数。然后，结合无人火星探测、载人月球探测和载人航天再入过程，梳理了载人火星探测的特点及需求，系统地总结了前苏联/俄罗斯和美国的载人火星探测研究进展以及技术储备。接着，归纳了载人火星探测的体系构成、集结方式和主要的技术挑战。最后，概括了载人火星EDL过程面临的难题，重点阐述了EDL的导航、制导与控制（GNC）关键技术。     

估计飞行器羽流影响的点源流动模型和计算机程序

目前和今后使用火箭发动机进行轨道和姿态控制的空间飞行器都要遇到发动机排气羽流影响问题.本文讨论了一种迅速估算轴对称的羽流远流场对飞行器影响的近似分析方法和相应的计算机程序.这种点源分析方法考虑了排气气体和喷管的特性.通过计算发动机排气羽流场,计算排气羽流干扰力矩和推力损失,这些影响在飞行器设计中必须给予考虑和控制.利用该方法和计算机程序对一个卫星模型进行了羽流影响的计算.     

深空探测着陆器数字化设计及着陆性能影响因素

以对称分布四腿悬架式月球着陆器为研究对象,建立了着陆器软着陆过程六自由度动力学模型并改进了月壤摩擦系数模型;在以上动力学模型基础上,以月球着陆器为例编制了着陆器软着陆六自由度动力学分析程序,利用该程序分析了探测器全机月面软着陆性能,重点研究了动力学模型中的月面等效弹性系数、月面摩擦系数和月面倾斜角度等参数对探测器着陆性能的影响。研究表明上述影响因素对着陆器着陆缓冲性能影响显著,通过对以上参数的合理选择可以有效缓解月球探测器月面软着陆的着陆冲击过载。     

美火星气候轨道飞行器失踪

该飞行器于9月23日刚启动发动机来减慢速度以便进入火星轨道时，便与美国太空总署失去联系，太空总署的工程技术人员推测它可能已撞毁。该计划耗资近10亿美元，若飞行器真的失踪，对太空总署打击很大。这事件令人们想起1993年另一架无人驾驶的飞行器“火星观察者”号的类似失踪事件。继1976年两个“维京”号探测器成功着陆火星之後，美国对这个神秘星球的勘探便停止了，直到1992年美国太空总署才发射3吨重的“火星观察者”号。在“火星观察者”号接近火星期间，一切运行良好，但是在1993年8月21日即将抵达火星时，它突然失去与地球的联系。…     

离子发动机羽流特性的数值模拟

离子发动机羽流中产生的交换电荷(CEX)离子返流会影响航天器的正常工作.建立离子发动机羽流模型,采用单元内粒子方法(PIC)对羽流场进行数值模拟计算.结合DS-1探测器飞行实验的测量结果,分析了卫星电势、电子温度、卫星几何尺寸、推力器工作特性等对相关因素对CEX离子返流特性的影响.结果表明:从推力器出口附近到卫星背面,CEX离子密度为108~1012m-3.当卫星电势从-15V变化到27V,测量点位置处CEX离子密度从0.65×1012m-3变化到1.5×1012m-3.羽流中CEX离子密度和电势结构随电子温度变化不大,但电势大小随电子温度成比例地变化.同一位置处不同工况下CEX离子的密度可根据CEX离子生成率与工作点参数间的关系式准确地估计.卫星安装推力器的表面起着对CEX离子返流屏蔽和降低的作用.      

火星探测光学自主导航半物理仿真系统设计

针对火星探测中的捕获段和环火段,探讨火星探测光学自主导航半物理仿真系统的设计方案.研究了轨道动力学模型和光学相机导航系统图像处理方法,建立了自主导航算法模块的观测模型和输出显示模块的模型,利用Unscented卡尔曼滤波算法对探测器的位置和速度滤波.仿真结果表明,自主导航精度较高.