攻角对火星降落伞拉直过程的影响分析

为了研究火星探测器减速着陆系统降落伞开伞前进入舱攻角的大小对伞拉直过程的影响,设计相应的控制措施,文章以"海盗号"火星探测器为研究对象,建立了基于质量阻尼弹簧模型的降落伞拉直过程动力学模型,研究了进入舱不同攻角下降落伞的拉直过程,重点研究了攻角与"绳帆"现象之间的关系。结果表明,火星环境下开伞前进入舱攻角越大,拉直过程中的"绳帆"现象越严重。因此,减小开伞前进入舱的攻角,将有利于避免或降低"绳帆"现象的发生。这一研究结论可为火星探测减速着陆系统的设计提供一定参考。     

开伞攻角对火星探测器舱伞系统运动特性的影响分析

火星探测器降落伞开伞前进入舱攻角(开伞攻角)会对舱伞系统的运动特性产生怎样的影响,是火星探测器减速着陆系统设计时必须搞清楚的问题。针对这一问题,文章以"火星探路者"为研究对象,将降落伞和进入舱分别视为6自由度刚体,建立了降落伞-进入舱以及中间弹性约束的两体12自由度动力学模型,研究了开伞攻角对火星探测器舱伞系统运动特性的影响。研究结果表明,开伞攻角越大,进入舱下降得越慢,开伞攻角对进入舱速度的影响主要体现在开伞后的前30s内;开伞攻角每增大10°,系统约产生600m的高度损失,开伞攻角的大小会对舱伞系统下降过程中的工作时序产生一定影响;开伞攻角越大,舱伞系统姿态越不稳定,姿态变化越剧烈。研究结论可为中国火星探测器降落伞减速系统的设计提供一定参考。     

火星探测器降落伞拉直过程中的“绳帆”现象研究

针对火星探测器降落伞在拉直过程中出现的“绳帆”现象,以及火星探测器降落伞开伞前初始参数和大气密度与地球环境下的差异,建立了火星探测器降落伞拉直过程的数学模型,研究了火星环境下,伞包弹射速度、开伞前进入器的攻角、开伞马赫数以及大气密度对“绳帆”现象的影响。研究结果表明,选择较大的伞包弹射速度,并将开伞前进入器的攻角严格限定在较小范围内,将有利于避免或降低“绳帆”现象的发生。这一研究结果可为我国实施火星探测时减速着陆系统的设计分析提供一定参考。     

降落伞强度空投试验模型的气动–动力学特性仿真

降落伞强度空投试验模型的气动-动力学特性仿真研究对空投试验方案设计和降落伞减速系统性能的考核至关重要。文章运用数值模拟手段分析了空投试验模型的气动特性和气动稳定性,探讨了降落伞开伞前空投试验模型的弹道轨迹和运动姿态的变化,并针对不同飞行攻角下空速管动压测试值与实际开伞动压存在相对偏差所造成的影响进行了分析。结果表明:空投试验模型的轴向力系数在攻角大于4°时有所下降。法向力系数和俯仰力矩系数随着飞行攻角增加以近似线性的方式增大,压心位置后移,气动稳定性良好。在模型投放后至降落伞开伞前的过程中,随着高度下降空投试验模型的速度以近似线性的形式增大,且俯仰角和攻角均存在周期摆动现象。由于飞行攻角的影响,空速管测得的动压值与开伞实际动压存在相对偏差,但相对偏差范围不会超过14%。研究结果可以为降落伞强度空投试验的方案设计提供参考。     

超声速透气降落伞系统的气动干扰数值模拟研究

盘–缝–带伞是目前主流的火星用超声速降落伞,然而由于其阻力性能的限制,新一代的火星探测任务已经开始考虑采用环帆伞来获得足够的阻力性能。同时,在超声速条件下,由于稳定性的需要,透气性对降落伞系统减速性能的影响研究日益受到重视。文章基于计算流体力学方法对不同孔隙率的降落伞系统模型进行数值模拟,旨在分析开缝位置及孔隙率对环帆伞气动性能的影响机理。结果表明:在马赫数为2的大拖拽距离比条件下,无缝环帆伞系统流场与盘–缝–带伞有较大区别,主要表现在伞前激波的形成过程及前体尾流和伞前激波的作用阶段上。此外,开缝产生的孔隙率对环帆伞的减速性能有较大影响。开缝伞形的阻力性能劣于无缝伞形,但稳定性能显著高于无缝伞形。而前缝伞形的稳定性能及阻力性能均优于后缝伞形。该结果对超声速降落伞的伞型结构透气性参数设计有一定的参考价值。     

降落伞收口绳载荷计算方法研究

在降落伞系统设计中,考虑到结构强度、质量和开伞过载限制等因素,需要对降落伞开伞载荷进行控制,收口设计是控制降落伞开伞载荷的有效方法。群伞系统通常采用多级收口设计以有效控制多个降落伞充气过程的同步性和开伞载荷的一致性。收口装置是降落伞的关键部件之一,其任何部分失效不仅会造成降落伞系统性能降低,并且有可能导致系统产生灾难性的故障。收口绳是收口装置的主要承力部件,由于降落伞充气展开过程十分复杂,精确计算收口绳的载荷较为困难,空投试验中也无法直接进行载荷测量。文章通过分析研究基本的理论方法,结合相关试验数据,提出了一种保守估计收口绳载荷的计算方法,并且给出了有效、实用的收口装置设计原则和建议。实际空投试验结果和数据表明:该方法是合理可行的,可以为降落伞收口环节设计提供依据和参考。     

火星盘缝带伞超声速风洞试验结果分析

为了研究盘缝带(DGB)伞在超声速条件下的阻力特性、摆动角以及伞绳载荷分布的不均匀性,在FD 12风洞中开展了盘缝带伞的阻力特性风洞试验,并通过安装柔性传感器测量了伞绳所受载荷。试验结果表明,在Ma1.50到Ma2.50来流条件下,盘缝带伞的阻力系数随着马赫数的增大先增加后减小,在Ma1.75时达到最大,为0.60,而最大摆动角则是先减小后增大,在Ma2.00时摆动角最小,为7.4°,传感器的安装对降落伞风洞试验结果影响很小。通过柔性传感器的标定和误差分析,获取了伞绳载荷数据,结果显示不同伞绳所受拉力的比值可达到1.98。且传感器数据与风洞天平的测量降落伞总载荷结果吻合,进一步验证了柔性传感器结果的正确性。     

系绳力对降落伞拉直过程的影响

文章采用多刚体模型研究了伞绳的系力对降落伞拉直过程的影响。在物伞系统的动力学模型中将引导伞、伞包、伞绳及回收物处理为开链式多刚体,提出了n阶的递推算法来求解绳段间的约束力。利用该模型研究了伞绳的系力对物伞系统运动的影响。仿真结果表明伞绳的系力是影响伞包角加速度的关键因素。     

航天返回与遥感2005年中文总目次

再入与返回技术年-期-页空间站充气式下载系统的概念研究2005-01-05卫星多体回收技术综述2005-01-10降落伞伞包载荷分析计算2005-01-14翼伞精确定点着陆归航方法研究2005-01-18航天器回收降落伞系统设计程序介绍2005-01-24引导伞减速伞开伞过程建模2005-01-27前缘切口对冲压式翼伞的气动力影响2005-01-36PE绳的特性及物理性能测试2005-01-58降落伞缝合部强度分析及几种常见疵病对强度的影响2005-01-61降落伞充气过程中尾流再附动力学分析2005-02-01风场对舱-伞系统着陆姿态影响的仿真研究2005-02-06返回舱和着陆系统设计的新理念2005-03-01…     

伞包拉出过程仿真及载荷影响分析

航天器回收着陆过程中依靠减速伞将主降落伞伞包从伞舱中拉出是主降落伞顺利工作的第一步,也是航天器能否安全着陆至关重要的一步。释放减速伞后是通过作用在减速伞伞带及主降落伞伞包拖带上的拉力将主降落伞伞包从主伞舱中拉出的,在释放减速伞拉主降落伞伞包过程中将产生一个很大的载荷作用在减速伞伞带及主降落伞伞包拖带上。文章基于牛顿力学,通过建立释放减速伞后拉主降落伞伞包过程的动力学模型,计算出释放减速伞拉主降落伞伞包过程减速伞伞绳、吊带及主伞包拖带的拉力随时间的变化情况。通过仿真结果分析及与高塔投放试验结果比对,证明了仿真模型的符合性,并在此基础上研究了减速伞自由行程、释放减速伞时下落速度、伞带长度、伞带断裂强力、主伞包质量、减速伞尺寸等因素对伞带载荷的影响程度,根据影响分析结果得出可以通过减小减速伞自由行程、减小释放减速伞时速度、增加伞绳长度、减小伞带总断裂强力、减小主伞包质量、减小主伞包尺寸等设计方法来减小伞带载荷。文章的仿真结果可以为降落伞设计提供参考。     

超声速条件下伞盘模型的气动干扰数值研究

盘缝带降落伞是目前已成功实施的火星着陆任务均采用的主流伞型,为了探究盘缝带伞衣中不同的伞盘模型形状对于降落伞性能的影响,文章基于计算流体力学方法针对不同构型的伞盘模型进行数值模拟研究,分析和预测其超声速条件下的气动性能表现。结果表明:随着伞盘模型凹陷深度的减小,伞前脱体激波更接近伞体,导致伞内表面驻点区域的压力变大;当伞盘凹陷深度增大时,气流从伞端部流出时更容易使得端部压力升高,因此获得更大的平均压力分布,导致其阻力系数增大,然而这也会引起可观的侧向力,使得伞衣稳定性降低。另外,当来流马赫数增大,其阻力系数会随之减小。该结果对于火星降落伞的伞形的设计有一定的参考价值。     

涡环旋转伞系统开伞充气过程仿真研究

涡环旋转伞是一种典型的旋转降落伞,可靠充气展开是其旋转稳定工作的前提。文章以一种典型涡环旋转伞系统为研究对象,采用任意拉格朗日-欧拉流固耦合方法研究了无限质量和低速气流条件下的开伞充气展开过程。获得了充气过程中伞衣幅和伞绳的动态变化过程以及开伞动载、伞衣展开直径、伞绳拉力等时程变化规律。结果表明,非轴对称结构的涡环旋转伞系统在合适的开伞条件下,短时间内可实现稳定旋转,并具有良好可靠性。研究结果对旋转伞系统的减速导旋机理及其结构优化设计具有参考意义。     

化学非平衡效应对返回舱再入气动力特性的影响

高空高马赫数条件下,化学非平衡效应将对飞行器气动特性产生影响,影响飞行器气动布局优化和飞行弹道设计。文章通过三维化学非平衡流动求解程序,针对再入返回器开展数值研究与机理分析,通过对比完全气体模型和化学非平衡气体模型获得的气动力参数,揭示化学非平衡效应对流场结构和气动力特性的影响和规律。结果表明,对Apollo的气动力计算结果验证了模型和计算方法;化学非平衡效应影响下,激波层内化学反应消耗大量能量,致使激波脱体距离减小,气体压缩性增强;典型状态高度为70 km,Ma=30条件下,化学非平衡效应导致返回器升力系数增大约6%、阻力系数增大约1.3%～3.3%、升阻比增大3%左右、俯仰力矩系数增大,从而使配平攻角减小约2.5＆#176;;通过机理分析,发现化学非平衡效应影响下表面压力系数发生变化的原因是飞行器周围激波形状及驻点压力改变,表现为气体沿流线经激波层、压缩区和膨胀区的历程变化;对于钝体形状的返回器,迎风面前体压力系数增加和后体压力系数降低,造成轴向力和法向力系数增大。     

降落伞“呼吸”现象研究

文章详细地描述了降落伞"呼吸"现象,首次使用降落伞充气过程中的简化轴向和径向动量方程来计算降落伞"呼吸"过程。在此基础上,分别比较有限质量充气条件下开伞速度、载荷物质量、大气密度、降落伞伞绳弹性系数对降落伞"呼吸"现象的影响,获得了一般情况下降落伞"呼吸"现象受载荷物质量与大气密度影响较大,当载荷物质量较小和大气密度较大时,降落伞"呼吸"振荡幅度较大且不易衰减等结论。     

进气道俯仰振荡状态的非定常数值仿真

为研究进气道俯仰振荡状态时的性能,耦合求解俯仰振荡运动和非定常Navier-Stokes方程,对平衡攻角为0°、振荡幅值为15°的进气道非定常流场进行了数值仿真。结果表明：在俯仰振荡状态下,进气道的性能发生周期性变化,存在一个类似于领结形状的滞环。     

引导伞减速伞开伞过程建模

侧风情况下展开减速系统存在着一定的风险 ,如果系统不按最小绳帆设计 ,会导致降落伞系损坏的后果。文章介绍了引导伞减速伞的开伞过程建模及应用分析代码 (RVAC)和图形动画 (DISPLAY)的实例。     

吸气式高超声速飞行器动力学特性分析

吸气式高超声速飞行器是下一代单级入轨和高超声速巡航研究的重点飞行器。其机身/发动机组合对飞行器动力学影响不同于常规飞行器,不能通过常规的气动分析方法对整体飞行器进行气动力计算分析。提出了利用激波膨胀波理论计算飞行器上表面的气动力,利用二维流场中的牛顿激波理论计算飞行器前体下表面的气动力,采用一维定常流模拟发动机内部工作流场,膨胀波理论计算飞行器后体气动力的吸气式高超声速飞行器整体气动分析方法。仿真分析验证了本方法的可行性和正确性。     

引导伞减速伞开伞过程建模

侧风情况下展开减速系统存在着一定的风险，如果系统不按最小绳帆设计，会导致降落伞系损坏的后果。文章介绍了引导伞减速伞的开伞过程建模及应用分析代码(RVAC)和图形动画(DISPLAY)的实例。     

真实气体效应对MSL火星进入气动特性的影响研究

探测器超高速进入火星过程的高温真实气体效应对飞行稳定性和防热系统影响极大,需要在初步设计阶段对探测器的气动力热特性进行精确预测。文章构建了采用流场直角与表面非结构混合网格以及网格自适应的直接模拟蒙特卡洛方法,模拟稀薄环境高温真实气体效应的依赖于温度的多原子分子振动激发和8组份54化学反应模型。通过计算"火星探路者"外形气动力系数随攻角的变化,并与文献提供的计算结果对比,有较好的一致性,验证了该文算法的可靠性。文章模拟了"火星科学实验室"在火星大气环境70km高度、进入速度为5.85km/s下的高温真实气体效应对气动力、气动热和流场特征的影响。通过与完全气体计算结果对比,表明高温真实气体效应影响下的激波脱体距离减小,表面热流降低,轴向力系数增加、配平攻角减小、压心位置随攻角变化显著。     

基于滑移网格技术的翼伞动导数分析

翼伞在航天回收领域有着广泛的应用前景,为了提高对翼伞动稳定性认识,文章针对某型号的翼伞进行动导数的分析。基于滑移网格技术,采用计算流体学的方法对翼伞进行了三维数值模拟。重点分析了翼伞做小幅度俯仰、偏航和滚转运动时的动导数,通过改变攻角和减缩频率这两项重要参数,获取了多组力矩系数迟滞曲线,利用时间平均法对非定常气动力数据进行处理,得到了翼伞绕三个坐标轴的阻尼系数。计算结果表明:翼伞在小攻角下做小幅度强迫运动时,在俯仰和滚转方向上阻尼导数为负,翼伞具有俯仰和偏航方向上的动稳定性,在偏航方向阻尼导数为正,翼伞不具有偏航方向的动稳定性;攻角和减缩频率的选取均会影响翼伞阻尼导数的计算结果,其中,攻角的增加不仅能影响迟滞环面积的大小还能影响迟滞环的动态特性,使翼伞的动稳定性发生变化,而减缩频率的改变仅影响迟滞环面积的大小,对偏航方向的动稳定性没有影响。