再入飞行器优化气动布局研究

本文研究了再入飞行器的优化气动布局问题，提出了单目标和多目标、优化设计方法。通过研究分析，指出了具有高机动性能的带翼机动再入飞行器、弯体机动再入飞行器及带翼锥柱裙机动再入飞行器等再入飞行器的几何参数变化规律。该研究对这类再入飞行器的气动布局选型有重要的参考价值。     

大型航天器无控再入气动稳定性分析

大型航天器在轨运行寿命终止后,为避免坠落在人口稠密地区造成事故,一般通过控制其主动离轨再入,使其坠落在南太平洋航天器坟场区域。再入大气层过程中受气动作用影响剧烈,航天器气动稳定性对再入姿态及姿态保持有直接影响,从而影响到再入轨道。为分析质心位置、航天器舱外部件等对航天器气动稳定性的影响,文章利用快速气动力方法,获得了航天器在不同工况下的气动力矩特性,进而分析其气动稳定性。对于给定质心位置的航天器,随着舱外部件不断解体,从单配平点转变为多配平点。而对于不同质心位置,质心位置接近端面时仅存在单配平点,位于中部则可能出现多配平点。因此,对于需要再入的大型航天器,其质心位置及舱外部件在设计阶段就应考虑其对再入气动稳定性的影响,始终保持在单配平点工况,以降低再入过程姿态、轨道控制技术难度。     

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。     

半刚性机械展开式再入飞行器气动特性研究

半刚性机械展开式再入飞行器具有受整流罩包络约束小、运载效率高、减速效果好等优点,具有广泛的应用前景。文章基于计算流体力学方法进行了不同马赫数及迎角下飞行器的流场数值计算,分析其流场特性及气动力、气动力矩,结果表明:由于粘性作用,飞行器背部有较明显的涡产生。随着马赫数的增大,气流压缩性效应更加显著,涡的范围变小,超声速情况下弓形激波离物面距离减小;迎角增大导致飞行器前端面驻点位置变化,为保证驻点位置位于刚性头锥上,飞行器再入时的迎角范围应在±20°范围内。迎角为0°和180°时,阻力系数大,迎角在90°附近时,阻力系数最小;飞行器质心在对称轴上时,在0°~180°范围内存在3个俯仰力矩系数为0的点,其中0°和180°为静稳定点,另一个为静不稳定点。文章的研究结果对半刚性机械展开式再入飞行器的设计及分析有一定参考意义。     

新型升力再入飞船返回舱气动外形选型研究

未来低成本天地往返运输系统的气动外形设计的总体要求是升阻比高、机动性强、稳定性好、过载低、空间大、可重复使用等。结合国内技术水平和国外经验教训,提出了我国未来新型升力再入飞船返回舱的总体气动需求,采用平面斜切二次曲线构造截面的模线设计方法,设计了四种满足长度、截面尺寸和容积等总体需求的返回舱布局方案。利用基于牛顿理论的气动力工程方法对气动特性进行预测,利用气动力与六自由度弹道的耦合计算研究返回舱无控再入飞行特性。研究表明,所设计的返回舱外形高超声速稳定配平升阻比大于0.9,阻力系数大于0.5,法向过载低于2.5,具有较好的静动稳定性,具备可部分重复使用的潜力。     

GPCM控制气动伺服系统的理论分析与实验研究

广义脉冲编码调制（ＧＰＣＭ）控制是针对脉冲编码调制（ＰＣＭ）控制气动系统中控制精度与控制范围、稳定性与快速性之间的矛盾而提出的。本文建立了ＧＰＣＭ控制气动伺服系统的数学模型，并进行了详细的仿真和实验研究，结果证明了该方法的有效性。     

再入体激波层和近尾流热辐射实验研究

本文介绍了在弹道靶设备上对再入速度下模型的热辐射进行的实验研究工作。铝、高硅氧和聚碳酸酯三种材料的模型在速度为4.5～6.0(km/s),压力为600—8000Pa条件下做了实验,在258nm—1100nm光谱范围内完成了九个波段的辐射测量,给出了三种材料模型的辐射光谱分布曲线。结果表明辐射量除了受环境条件影响外,还强烈地依赖于模型材料;由烧蚀产物引起的辐射通量主要在可见光和近红外区(465nm以上)。估算了烧蚀产物引起的辐射加热率,对头部和近尾流辐射通量做了比较。     

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。     

卫星回收舱再入过渡流区气动热数值计算

返回式卫星进入地球大气层95km高度左右时,速度达到Ma20,回收舱被高超声速稀薄来流形成的弓形激波环绕,气动加热问题非常明显,准确预测过渡流区的气动热成为一个十分突出的问题。过渡区由于气体空气分子仍然比较密集,基于分子动力学的直接蒙特卡洛模拟方法(DSMC)极其耗费计算资源,而求解Navier-Stokes(N-S)方程的方法误差较大。采用添加二阶滑移条件的N-S方程求解过渡流区气动热,并与开源DSMC2V程序计算结果对比,研究了舱体母线热流、压强系数变化;通过对比两种方法下舱体前缘弓形激波及流场参数变化,分析了滑移条件影响壁面和流场参数的机理。结果表明:回收舱再入过渡区时,钝头驻点区为高压、高热流区,锥身区气动热和壁面压强保持在较低水平。带滑移条件的计算机流体力学方法(ComputationalFluidDynamics,CFD)计算得到的热流、压强系数与DSMC结果吻合良好,具有计算效率高、精度较高的优势。对流场压力、温度、速度等参数分析显示,滑移条件中壁面速度滑移和温度跳跃的加入,改变了壁面流动参数,进而改善了壁面热流和压强的准确模拟能力。滑移条件对外流场参数的影响极小,没有改善稀薄流区流场的模拟能力和激波捕获能力,模拟得到的温度、速度等流场参数及激波位置、激波层厚度等与DSMC结果仍有差别。可以认为,文章采用方法能够满足工程上快速高效预测卫星回收舱再入过渡流区气动热需要。     

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。     

锐边高超声速再入飞行器气动隐身综合设计

对锐边高超声速再入飞行器气动隐身综合设计进行了研究。以REX-203飞行器外形为研究对象建模,分析了修正牛顿理论、活塞理论和激波膨胀波理论三种常用的高超声速气动力工程算法用于锐边高超声速再入飞行器的适用性,用最准确的修正牛顿理论讨论了不同外形的飞行器最大升阻比变化规律,用高频近似算法计算了飞行器雷达散射面积(RCS)。综合考虑最大升阻比和RCS,给出飞行器隐身气动综合优化设计为飞行器中部长度0.6~0.7m。     

高超声速滑翔飞行器再入气动系数改进拟合模型

为提升高超声速滑翔飞行器再入气动系数的刻画精度,基于公开的CAV-H气动系数数据,本文提出了一种改进的高超声速滑翔飞行器再入气动系数拟合模型。首先,建立攻角二次项和马赫数负指数幂项相结合的气动系数拟合模型。其次,利用多元非线性最小二乘法对模型进行参数辨识,并采用拟合优度评价了该模型对气动系数数据的解释程度。然后,依据该模型从升阻比角度分析了气动模型飞行特点。最后,对本文改进模型进行数据拟合仿真,分析升阻比特性,并进行再入轨迹优化任务仿真。气动数据拟合实验表明,与现有典型模型相比,改进模型拟合误差降低,拟合优度进一步提高。不同定升阻比的飞行仿真实验表明,应用改进模型可全面刻画再入滑翔飞行特性。再入滑翔飞行任务仿真结果表明,相较于对比模型,改进模型得到的再入轨迹更为平稳。     

升力式再入的三维再入走廊与再入界面窗口

针对升力式再入飞行任务设计对地理信息的需求,提出了以“来路走廊”和“去路走廊”为代表的“三维再入走廊”概念,重新定义了“再入界面窗口”概念。其中,“再入界面窗口”解决了“已知着陆点,估计初始再入点的可行地理区间”问题;“三维再入走廊”则系统、直观地揭示了升力式再入飞行器对“临近空间”多重大气层的覆盖能力及其整体变化趋势。求解算法使用高精度积分律的直接配置非线性规划法,配合无奇异的数学模型,可满足全球到达任务的设计需求。基于美国X-33和Advanced Guidance and Control (AGC)项目的测试任务数据,一系列算例检验了“三维再入走廊”与“再入界面窗口”概念的合理性。“三维再入走廊”有助于工程总体设计、军事指挥和商业空天交通指挥人员对类型化的升力式再入任务进行设计和分析;有助于高层决策人士对升力式再入的机动能力进行系统理解和直观把握。     

Chapman理论在再入走廊计算中的应用

再入走廊给出了飞行器满足任务要求、并安全返回地球的再入飞行范围,它是再入轨道优化、再入方案设计、再入飞行任务规划等的重要部分。文章通过再入动力学建模,引入Chapman假设,进行了航天器从外层空间返回的再入走廊的研究,分析了影响再入走廊边界的重要因素,并以航天飞机为例计算了再入走廊,验证了该分析方法的正确性。     

机动再入弹头的制导和控制

在过去十五年里,经过大量的研究和飞行试验,机动再入技术已经比较成熟。在这期间对许多飞行器的构造型式进行了研究,提出了许多制导和控制方案。本文打算概括这些研究结果,其中只有少数项目是技术界所普遍应用的。本文提出三种飞行器的控制型式(十字翼型、倾斜一转弯型和固定配平型)和三种制导规律(叉积、比例和正切立方)。每种规律应用于每种飞行器(构造型式)时都列出了公式,对这些型式的优点和缺点也进行了讨论。     

Weissman图的产生、发展及其在再入航天飞行器气动布局设计的应用

回顾了Weissman图的产生及发展历程,对高速再入航天飞行器的横航向气动特性进行了综合分析,指出了引入Weissman图分析方法的必要性.通过对横航向小扰动方程的讨论给出了中国航天领域常用机体坐标系下的CnβDYN和LCDP的表达式,并对一种典型高速再入航天飞行器气动布局进行了全面的横航向特性分析,指出了Weissman图分析的重要意义.     

航天飞机的再入飞行走廊及再入飞行轨迹

在研究航天飞机再入返回问题时,确定再入飞行走廊和再入飞行轨迹是基础的研究问题之一。对于这方面的工作,参考文献[1]作了较详细的介绍。国内的一些作者在航天飞机方案论证时开始注意考虑这类重要的问题[2、3、4]。然而,他们所讨论的基本模型没有考虑地球自转对再入运动的影响。这种近似模型,对深入一步的方案论证就显得不能满足了。本文建立了一个精确的模型,给出与方案论证有关的仿真结果。     

再入制导和弹道跟踪误差分析

新一代可重复使用运载器对再入制导提出了更高地要求。目前的空间运输系统证明基于阻力加速度的制导方法是行之有效的。其基本概念是跟踪基准阻力加速度包线，在飞行过程中可根据需要更新这个包线。跟踪适当的阻力加速度包线保证了飞行器可以飞行准确的距离达到目标，同时满足弹道约束。在横向上，我们可采用类似于美国航天飞机的倾斜反转逻辑或航向角跟踪技术。本文推导出了基于反馈线性化的控制算法，并将其应用于可重复使用运载器纵向和横向的制导。最后，我们分析了阻力加速度跟踪的误差。     

粒子云侵蚀和再入端头材料

洲际导弹弹头再入大气层时,经受着严重的气动加热和气动力的作用,端头周围附面层空气温度通常高达10000°F以上,这样高的温度,再加上表面的气动剪切力,就造成了极为严峻的再入环境。为保护导弹弹头内部的主要部件,必须采用烧蚀热高和热结