欧洲无翼飞船的再人、降落和着陆技术及验证

取消了欧洲有翼载人航天运输系统“赫尔梅斯”计划之后,研完了多种可能的无翼再入飞船方案,用于人员运输、空间站人员救援以及后勤补给任务。飞船结构的复杂性必须在先进性和可能性之间平衡。在欧洲飞船设计中遇到的一项挑战是要求在欧洲大陆精密着陆。本文介绍了无翼再入飞船再入、降落和着陆综合方案的策略。设想的飞船为密封舱型,不具备有翼飞船的横向和机动能力。必须进行适当的技术研究才能满足新型载人航天运输系统对着陆和回收的要求。此外;强度设计以及成本方面的设计必须仔细研究。本文研究了下列问题:着陆场选择敏感性、空气动力学性能、飞行控制定律、气动减速装置特性以及最后的缓冲着陆特性等。在下列方面进行了综合研究,即弹道降落伞与可控翼伞、制动反推火箭与气袋。提出了本方案的技术要求和有关的验证方法,以及总体方案演示程序。     

开“窗”结构对环帆伞开伞过程影响

随着载荷重量的增加，单伞已无法满足大重量返回舱的安全着陆要求，群伞系统获得关注并成功应用。然而，伞间干扰等问题仍困扰着群伞的设计，新一代载人飞船已经考虑从透气性角度对此进行解决。同时，鉴于群伞开伞过程仿真难度较大，在不改变伞衣构型设计的前提下，采用流固耦合（FSI）方法针对单伞开展不同透气性的环帆伞开伞过程数值模拟，旨在研究开“窗”结构对环帆伞气动性能的影响。结果表明：开“窗”结构对环帆伞开伞过程中的外形变化有较小影响，开“窗”前后的伞衣投影面积与名义面积比变化最大不超过15%；对于不同的开“窗”位置和数量，平衡平均阻力系数、开伞动载系数及阻力系数波动三者的最佳选择为帆5位置和25%数量；采用开“窗”结构后的环帆伞最大摆角至少减小5°，且减小幅度随着开“窗”数量的增加而增大，但与开“窗”位置之间并无明显规律。     

降落伞开伞过程的数值模拟

正降落伞实际开伞过程是在有限质量条件下进行的,降落伞的下降速度取决于伞系统的加速度即取决于伞系统重力与气动阻力的合力,而降落伞的气动阻力又取决于其下降速度。本文将用自主开发的软件对单具名义直径为83.5英尺(25.45m)的环帆伞的主充气过程进行三维动态仿真,并将开伞动载、投影面积变化等与试验结果进行对比,以验证数学模型的可靠性。1环帆伞结构本文所采用的环帆伞数据由513厂提供。单具降落     

基于回收着陆段精细模型的飞船落点预报

针对载人飞船回收着陆阶段伞-舱系统运动轨迹受中高空水平气象风影响大的特点,研究建立了回收着陆段完备的伞-舱多体动力学模型,提出了回收着陆轨迹预报算法,分析比较了简化的三自由度动力学模型和精细的多体动力学模型的数值预报效果,并与“神舟八号”返回舱实时降落轨迹和实测落点位置进行了比较分析.结果表明,精细的伞-舱动力学模型为回收着陆气象风修正落点预报提供了更精确、更详细的信息,利用该模型预测返回降落轨迹和着陆落点位置,有助于减小飞船的搜救范围,缩短搜救时间.     

基于气象风修正的返回舱落点快速预报方法

针对载人飞船回收着陆阶段伞-舱系统运动轨迹受中高空水平气象风影响大的特点,研究建立了回收着陆段完备的伞-舱多体动力学模型,提出了一种基于气象风漂移修正的返回舱落点快速预报方法,在"神舟八号"、"神舟九号"任务中进行了验证试验,并与现有返回舱落点预报方法进行了比较。结果表明,基于伞-舱多体动力学模型的气象风漂移修正量精度较现有方法提高了30%,利用该方法可快速准确预报返回舱着陆落点位置,有助于缩小飞船搜救范围,缩短搜救时间。     

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     

载人飞船利用返回舱反推发动机制动缓冲方案参数初步分析

随着深空探测任务的发展,载人飞船规模不断加大,返回舱再入返回的质量越来越大,主要依靠降落伞方式减速的难度也随之增大.分析国外在研载人飞船研制特点,特别是国外载人飞船配置反推发动机的可行性,提出利用反推发动机实现制动着陆的方案设想,重点是反推发动机点火高度、反推前返回舱下落姿态,以及反推发动机安装位置等对发动机推力、工作时间等参数分析.     

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。     

环片数量对环帆伞气动性能的影响

为探究环片数量对环帆伞气动性能的影响,文章基于 CFD方法对某环帆伞流场开展了定常三维数值模拟,采用有限体积法求解不可压缩 Navier-Stokes控制方程来模拟外部流场,获得了该伞的气动参数与绕流流场分布。通过数值结果与空投试验结果对比,验证了数值方法的准确性。在不改变伞衣名义面积和环帆高度比的前提下,分别针对定结构透气量和变结构透气量开展了环片数量对气动性能的影响研究,结果表明:定结构透气性下,环片数量对伞衣阻力性能和气动静稳定性的影响很小;变结构透气性下,环片数量通过影响透气量、尾涡分布等因素进一步影响环帆伞稳定性。上述结果对环帆伞的设计有一定参考意义。     

基于伞载多体动力学的降落伞开伞过程研究

针对降落伞开伞过程中柔性大变形、强非线性和强耦合性的特点,采用伞载多体动力学方法,以充气时间为自变量,分别建立拉直、充气和稳降3个阶段的动力学模型。对降落伞开伞过程中物伞系统运动学和动力学进行数值分析,研究降落伞开伞过程,通过某型号降落伞飞行试验验证,表明：基于多体动力学的降落伞开伞过程计算简单方便,能够快速指导降落伞的设计迭代,计算结果可以很好地体现降落伞的开伞特性。     

折叠式群伞充气接触的膜索非线性有限元算法

降落伞由折叠到打开的充气过程和多束降落伞捆绑在一起充气的过程都伴随着一个高度非线性的柔性结构接触问题,因此模拟降落伞群伞流固耦合问题必须首先解决降落伞群伞非线性结构接触的数值模拟问题。对于降落伞这类柔性瞬变非线性织物结构,数值模拟织物系统的接触现象以及预测接触结果对降落伞工作状况的影响对于降落伞群伞设计具有很重要的指导意义。基于三维降落伞膜索非线性有限元编程模拟技术设计了一种针对单伞和群伞非线性动力系统的接触搜索算法,推导设计了针对接触随机性的接触切线刚度矩阵计算方法。针对降落伞群伞非线性有限元计算的庞大数值计算量,设计编写了一种基于消息传递接口(MPI)通信协议的膜索结构并行接触模拟FORTRAN程序,测试了该数值模拟程序的并行计算效率。针对高度折叠的C-9降落伞群伞充气问题,使用PC-Cluster计算机群进行了数值仿真模拟,验证了该接触非线性有限元程序的计算效果,预测了C-9降落伞群伞的接触过程,并分析接触现象对降落伞群伞充气工作的影响。     

无人机伞降回收运动分析

针对小型无人机伞降回收的特点,研究了在无人机回收过程中,飞机及降落伞系统的运动轨迹及姿态。通过分析机伞间的力学关系,建立了机伞系统运动模型,并进行了仿真分析,给出了无风情况下回收运动的仿真结果。结果表明,系统能够满足无人机回收要求,可以决定最佳的回收参数,从而得到最优回收轨迹和姿态。     

降落伞伞衣透气量对着陆损伤率之影响

半个多世纪以来,降落伞已被广泛地用来部署人员。尽管跳伞具有潜在危险,但在某些特定条件下,它往往是完成作战、救援、消防等任务的唯一可行的方法。伞降过程中,跳伞员最常遇到的危险是着陆损伤。着陆场的地形、障碍物、密度高度和天气等因素都会影响着陆损伤率。这些因素造成的危险可以通过仔细选择着陆场和坚持对天气条件的要求而减少。影响着陆损伤的另一个重要因素是跳伞员触地瞬间的垂直下降速度。不难理解,较大的下降速度更有可能造成着陆损伤。     

先验模型在载人飞船轨道返回泄压中的应用

载人飞船返回前为保证正常分离而采用了泄压的模式。分析返回泄压影响轨道的问题,建立相应的简化轨道泄压力经验模型,利用载人飞船返回前的测轨数据进行分析,得到了一致的泄压摄动加速度,并将该参数和模型应用于神舟十号载人飞船返回过程中。结果表明,飞船轨道预报至返回制动点的精度达到百米级,与以前的飞船返回过程相比有效提高了制动点的预报精度。     

先验模型在载人飞船轨道返回泄压中的应用简

载人飞船返回前为保证正常分离而采用了泄压的模式.分析返回泄压影响轨道的问题,建立相应的简化轨道泄压力经验模型,利用载人飞船返回前的测轨数据进行分析,得到了一致的泄压摄动加速度,并将该参数和模型应用于神舟十号载人飞船返回过程中.结果表明,飞船轨道预报至返回制动点的精度达到百米级,与以前的飞船返回过程相比有效提高了制动点的预报精度.     

欧洲无翼飞船的再入,降落和着陆技术及验证

取消了欧洲有翼载人航天运输系统“赫尔梅斯”计划之后，研究了多种可能的无翼再入飞船方案，用于人员运输，空间站人员救援以及后勤补给任务，悦船结构的复杂性必须在先进性和可能性之间平衡。在欧洲飞船设计中遇到的一项挑战是要求在欧洲大陆精密着陆。本文介绍了无翼再入飞船再入，降落和着陆综合方案的策略。     

先拉伞绳法数学模型及拉直力预测

给出了考虑伞绳粘弹性的降落伞先拉伞绳法拉直过程预测方法.建立了拉直过程数学模型的基本方程,理论分析了基本方程中粘性项对张力波在伞绳中传播的作用;弹性张力波不仅使伞衣套一端产生的张力通过伞绳传到前置体一端在时间上滞后一些,而且由于拉直过程中存在着吸收和弥散现象,使两端的张力不能相等.使用该模型计算了伞拉直运动和拉直力,对拉直力动态变化过程进行了分析.计算表明:前置体一端承受的最大拉直力不仅与伞衣底边被拉动瞬间产生的最大张力有关,而且与拉出伞衣底边以后产生的载荷张力有关.      

“神舟”六号实现中国航天新跨越

2003年10月,我国第一艘载人飞船“神舟”五号一飞冲天,使中国成为继前苏联和美国之后可以独立自主完成载人航天飞行的国家。仅两年之后,中国“神舟”六号载人飞船经过五天的太空飞行顺利返回地面,着陆地点与预定目标仅相差1千米。这次“神舟”六号载人航天飞行,在中国航天史上创造出多项“第一”:第     

火星-500试验任务

<正>由俄罗斯组织,多国参与的模拟火星载人航天飞行地面试验项目MARS500第三阶段已于2010年6月3日开始。中国志愿者王跃和来自俄罗斯、法国等国家的共6名志愿者进入位于莫斯科郊外的全封闭试验舱,开始了为期520天的模拟体验太空旅行及环绕火星的有趣生活。试验共分3个阶段:前250天从地球飞往火星的虚拟飞行,30天火星地表停留,240天返程,总共持续520天。由于从飞船发射、飞向火星、火星着陆到返回地球的一系列过程需要近500天时间,因此,这一项目被称为"MARS500"。试验初步确定了70余个实验项目,其主要目的是探索"人与环境"相互作用,了解长期密闭环     

基于自适应伪谱法的载人返回舱着陆段滑模制导方法

针对载人返回舱着陆段使用反推发动机定点着陆问题,基于自适应伪谱法和滑模控制理论提出一种轨迹跟踪制导方案,以同时实现着陆段姿态和轨迹跟踪。首先建立着陆段动力学模型,然后以燃耗最优为目标,使用自适应伪谱法获得着陆段姿态和轨迹指令,其次采用滑模控制理论设计了轨迹跟踪制导方法,实现着陆段轨迹跟踪控制,最后采用数值仿真验证了方法的有效性。仿真结果表明:所提方法的燃料消耗和着陆精度均满足反推着陆任务的要求,可为载人飞船反推着陆方案的实施提供有益参考。