充气式返回舱气动热特性研究

文章针对航天器返回实时性和经济性的需求,以充气式返回舱为研究对象,研究该飞行器从空间站返回过程中的气动特性,重点分析气动热特性。文章通过引入分子运动论、Kemp-Riddell方法、Linear桥函数等计算方法,建立起该飞行器在自由分子流区、过渡流区和连续流区高超声速情况下的表面热平衡方程,得出了该飞行器返回过程中的驻点热流密度和驻点壁面温度。计算分析了该飞行器最大直径D1和半锥角α等几何尺寸对其气动热特性的影响,得到在一定范围内增大D1和α可以有效减小驻点热流密度和驻点壁面温度,并研究在峰值加热高度附近70km、80km处不同马赫数下的气动热特性。在此基础上,依据热防护系统材料和布局,将气动加热计算的表面热流分布作为外壁边界条件,分析了结构材料层的温度变化特性。     

面向降落伞高空开伞的充气式钝锥阻力体气动构型仿真研究

针对钝锥阻力体航天器降落伞高空开伞试验采用低成本小直径火箭外形包络受限问题,提出在箭体上安装柔性充气环和充气裙锥两种变构型方案,用于模拟降落伞开伞过程真实流场环境。采用三维雷诺时均N-S（Reynolds Averaged Navier-Stokes, RANS）方程方法分别对某钝锥构型返回舱、某小型火箭以及火箭尾部加装充气环和充气锥裙4种构型进行流场数值模拟,并对比各种构型的尾流流场特征。计算结果表明,箭体上加装充气环和充气裙锥都可从一定程度上改善尾流特性;相比之下,采用充气裙锥方案更接近返回舱真实尾流流场。     

充气式再入减速器研究最新进展

随着载人航天事业和行星探索任务的不断发展,再入返回运载工具受到运载火箭整流罩的大小限制越来越明显。针对降低返回系统重量以增加有效载荷的日益需求,一种新型充气式再入减速器成为国际上研究的热点。它具有易折叠包装、重量轻、展开阻力面积大,再入时弹道系数低和产生的气动热量小等明显优点,为航天员应急返回、深空探测以及有效载荷的回收提供了一种新的技术途径。重点对堆叠圆环型、单充气环薄膜型和双层锥形充气囊型等三种充气式再入减速器在结构设计、飞行测试、材料防热研究、气动特性仿真分析等方面的最近研究进展进行总述,并对充气式再入减速器的关键科学问题进行简要总结。     

充气式再入减速器动态气动载荷与结构特性研究

针对充气式再入减速器在动态飞行环境下的结构特性变化问题,提出一种基于飞行轨迹参数的CFD动态边界条件加载方法,有效实现了飞行动力学与空气动力学之间的耦合。同时,建立考虑内充压气体热效应的流固耦合模型,较已有方法更全面地考虑了结构变形对流场的影响以及内充压气体状态参数的改变,突破了现有研究中未能完整考虑温度对结构特性影响的局限。利用此模型着重对比了再入过程中气动力与气动热对结构应力及一阶固频的影响,并研究了尺寸变化对结构特性的影响规律。研究发现单独考虑气动力与气动热作用时,结构最大应力分别升高至39.6 MPa与33.5 MPa,而适当减小半锥角和增多气囊数目有利于减小结构应力。本文研究为充气式再入减速器的强度校核及优化设计提供了有价值的参考。     

典型再入返回器气动特性对比与改进研究

返回器气动特性研究对宇宙飞船的研制起着先导和制约作用。文章对Apollo、CEV和类Soyuz这3种典型的轴对称钝头体再入返回器气动布局进行了气动特性的对比分析,发现与Apollo、CEV相比,类Soyuz外形的升阻比偏小,无法满足以第二宇宙速度载人空间再入返回的要求。在此基础上研究了几何参数（包括倒锥角和球冠半径）变化对类Soyuz外形返回器气动性能的影响规律,从中得到类Soyuz外形的改进方向,提出了一种以类Soyuz外形为基础的改进设计外形,并对该外形的升阻特性、稳定性和配平特性等相关气动特性进行了分析。研究表明通过对几何外形参数的调整优化来提高类Soyuz外形的升阻比,从而达到以第二宇宙速度再入返回的升阻比要求,这样的技术途径是可行的。     

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。     

化学非平衡效应对返回舱气动特性的影响分析

航天器返回舱再入过程中,高马赫数造成激波层内气体温度急剧升高,由此导致的化学非平衡效应对返回舱气动特性将产生显著影响。而飞行高度和速度的变化影响着化学非平衡过程,进而改变对飞行器气动特性的影响程度。文章通过求解三维Navier-Stokes流体动力学方程,利用耦合化学反应动力学模型对返回舱再入开展数值研究与机理分析,获得量热完全气体模型和化学非平衡气体模型的气动力预测值,分析飞行条件变化时化学非平衡效应对气动特性的影响规律。根据Apollo返回舱的AS-202飞行试验数据验证了计算模型与数值方法。对返回舱的模拟结果表明,高度不变、马赫数增大时,完全气体模型的气动特性预测值不变,化学非平衡效应影响下的轴向力系数、法向力系数和俯仰力矩系数与完全气体预测值的偏差均增大,化学非平衡效应增强;马赫数不变、高度增大时,化学非平衡效应造成的气动力预测值偏差也增大,配平攻角差值略有增加,化学非平衡效应同样增强。机理分析发现,飞行条件变化所造成的化学非平衡流场和压力分布变化是影响气动力变化的主要原因。     

实时辨识气动特性的一种动力学模型

本文提出一种6自由度动力学模型,结合广义卡尔曼滤波(EKF)算法,对实时辨识再入体气动特性的问题进行了研究,作了广泛的数值仿真。 本文的动力学模型与某一常规模型进行了详细比较:(1)本模型免去了常规模型中不太现实的测高假设和大气模型假设。(2)本模型可精确估计气动系数比,其中包括重要的静稳定度。此外,文章还对收敛时间、模型误差等进行了分析对比。 结果表明,与常规模型比较,本模型具有一定的优越性。     

改善返回舱气动稳定特性数值计算研究

和第一宇宙速度载人再入飞行相比,以第二宇宙速度载人再入飞行对返回器的升阻比要求较高。文章给出了一种升阻比能够满足第二宇宙速度再入需求的返回器基本外形,分析了基本外形的气动性能以及质心位置对气动稳定特性的影响,结果表明基本外形在高超声速和亚声速下均存在第二静稳定配平点的问题。为了改善基本外形的气动稳定特性,文章提出了多种改进外形设计,包括增加稳定耳片、改变尾部外形设计等。通过数值模拟对这些改进外形的气动稳定性进行了分析,结果表明这些改进设计对于改善返回器的单点稳定特性是有效的。通过对流场特性的详细分析,对改进气动设计改善返回器稳定特性的机理进行了揭示和阐释。     

平流层飞艇外形气动特性分析

结合某平流层飞艇的外形设计，文章采用数值模拟的方法研究了平流层飞艇外形的气动特性。基于雷诺平均N—S方程，采用非结构网格的有限体积方法进行了求解；空间离散分别采用了Jameson的中心格式和Osher逆风格式，时间离散则采用五步Runge—Kutta格式；紊流模型分别采用了S—A一方程模型M—SST两方程模型。本研究有助于了解平流层飞艇的气动特性及气动外形设计过程中存在的问题，为平流层飞艇设计提供参考依据。     

航天器柔性充气式密封舱结构技术的发展

综述了国外充气式舱体的发展历程和研究现状,提炼了其质量、体积、空间布局等3项技术优势,总结了充气式舱体的多功能层合材料体系技术、无损折叠设计技术、刚化技术和地面试验验证技术等4项重点研究内容,对该领域的发展趋势进行了展望,并提出我国的应对策略。     

一种新型充气式重力梯度杆的研制和在轨展开试验

文章对中国“新技术验证一号”卫星搭载的一种新型充气式重力梯度杆的研制和在轨试验情况进行了介绍。重力梯度杆在小卫星控制领域中具有较好的应用前景,而充气结构具有轻质、占用空间小、发射成本低的特点,采用充气式重力梯度杆可避免传统机械式重力梯度杆质量重、尺寸大和机构复杂的缺点,它以充气伸展臂为主要结构形式,通过充气展开伸直成为重力梯度杆,既作为卫星重力梯度杆又通过在轨试验验证空间充气展开结构的性能。在轨试验结果表明充气式重力梯度杆展开稳定、有序、性能可靠,可以满足小卫星的性能和功能要求。该试验也是中国首个成功的充气展开结构在轨技术验证试验,标志着中国的充气展开结构技术初步具备了工程化能力。     

Inflatable shape changing colonies assembling versatile smart space structures

Various plants have the ability to follow the sun with their flowers or leaves during the course of a day via a mechanism known as heliotropism. This mechanism is characterised by the introduction of pressure gradients between neighbouring motor cells in the plant?s stem, enabling the stem to bend. By adapting this bio-inspired mechanism to mechanical systems, a new class of smart structures can be created. The developed overall structure is made up of a number of cellular colonies, each consisting of a central pressure source surrounded by multiple cells. After launch, the cellular arrays are deployed in space and are either preassembled or alternatively are attached together during their release or afterwards. A central pressure source is provided by a high-pressure storage unit with an integrated valve, which provides ingress gas flow to the system; the gas is then routed through the system via a sequence of valve operations and cellular actuations, allowing for any desired shape to be achieved within the constraints of the deployed array geometry. This smart structure consists of a three dimensional adaptable cellular array with fluid controlling Micro Electromechanical Systems (MEMS) components enabling the structure to change its global shape. The proposed MEMS components include microvalves, pressure sensors, mechanical interconnect structures, and electrical routing. This paper will also give an overview of the system architecture and shows the feasibility and shape changing capabilities of the proposed design with multibody dynamic simulations. Example applications of this lightweight shape changing structure include concentrators, mirrors, and communications antennas that are able to dynamically change their focal point, as well as substructures for solar sails that are capable of steering through solar winds by altering the sails? subjected area.     

Nb、Ti微合金元素对中厚板组织结构及力学性能的影响

Q345B普通钢板在控制轧制过程中适量添加了Nb、Ti微合金元素，通过金相观察、力学试验，其组织结构及力学性能均有明显改善，可见通过对微合金元素的选择性添加以及对其在钢中成分的控制，在经过控轧控冷后能够得到我们所需求性能的钢，这对控制轧制具有较高的现实意义。     

充气式再入航天器总体方案及关键技术初探

充气式再入航天器是一种新型的再入航天器,可实现载人航天和行星探测任务中的行星大气再入,具有系统简单、质量小、气动加热低和可适应不同外形的再入载荷等优点。文章介绍了充气式再入航天器的国际发展现状,并对充气式再入航天器的总体方案进行了初步分析。参考俄罗斯的充气再入与降落技术(inflatable re-entry and descent technology,IRDT)设计先例,提出了充气式再入航天器的构型方案,并针对该构型进行了基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的气动力和热仿真分析。计算采用了迎风格式的层流模型,基于密度进行求解。文章还基于国际空间站的运行轨道,开展了再入轨道的设计,最后对再入气动特性分析、柔性热防护材料、布局与折叠包装和充气机构设计等关键技术提出了初步建议。     

PP／SCF复合材料的制备和力学性能的研究

本文制备了聚丙烯（PP）／,短炭纤维（SCF）复合材料并研究了其力学性能。结果表明,复合材料的拉伸强度随SCF含量的增加有先增加后趋于稳定的趋势,当SCF含量达到6％时,拉伸强度达到极值。随着SCF的加入,冲击强度呈先增加后略有降低的趋势,复合材料在SCF含量为6％时冲击强度达到极值。由此可知,适量的加入SCF对PP起到了较好的增强增韧效果。     

充气式天基太阳能电站方案构想

为了解决现有天基太阳能电站面临的技术难度和成本问题,尽早使其实用化,文章提出了一种新型充气式球形天基太阳能电站概念。概述了新型电站的工作原理、系统构成及功能,重点分析了通过采用球形柔性薄膜太阳能电池和空间充气展开结构材料技术,新型电站无须对日定向,能高效折叠存储升空和大大降低发电模块质量。文章还对新型电站总体设计、折叠展开、在轨刚化、高精度姿态控制及大功率电量存储和传输等关键技术进行了简要论述,可为未来天基太阳能电站的技术发展提供参考。     

薄膜充气管展开模拟试验

根据多体理论中凯恩方法建立的折叠充气管模型,模拟研究了V形折叠充气管的充气展开动力学特性.由管内气压变化与充气展开时间的关系,分析了不同充气速率和初始展开角时展开加速度与时间的关系.结果表明:该模拟方法有效,展开加速度与充气速率总体成正比.另发现,为改善充气管的展开动力学性能,需控制特定展开角度范围内的加速度波动.     

关于纤维增强复合材料力学性能可设计性的分析

纤维增强复合材料是一种多相结构材料,主要由增强纤维和树脂基体材料组成。其性能可设计性是指可按照设计要求进行选择不同的增强材料和树脂基体材料以及它们的含量和各种铺层形式,可组成具有不同性能的各种复合材料。这给复合材料可设计性提供更大的自由度。该文结合工程应用需要,主要对其力学性能可设计性进行了分析研究。