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。     

航天器返回地球的气动特性综述

航天器返回地球的飞行过程中,气动特性是实现将宇宙飞行速度减到落地前速度、保证再入飞行得到有效控制以及再入防热安全可靠的关键因素。针对简单旋成体气动外形、半弹道式再入控制、烧蚀防热类返回航天器,综述了返回地球过程中变化的空气流域特性、航天器周围的气体绕流环境、空气与航天器作用产生的动力学与热效应等。系统地给出了该类航天器的再入气动特性参数与飞行性能的共性规律,包括:气动阻力与再入减速、气动升力与再入轨迹控制、配平攻角与飞行稳定性、气动加热与防热,以及再入过程中不同气动特性航天器、气象条件变化等对再入飞行性能的影响规律。为航天器开展返回飞行过程的跨流域气动性能工程研制提供设计参考。     

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。     

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。     

火星探测着陆器气动布局研究

火星探测活动是当前深空探测领域发展的热点,火星探测着陆器进入过程的气动布局问题是火星探测器设计的关键之一。根据国外火星探测器气动布局及地球轨道再入返回舱气动布局,从大气环境和布局形式两个方面出发研究火星探测器的主要气动特点,基于工程算法讨论了探测器所处大气环境及其布局形式对其高超声速升阻特性、配平特性及静稳定性的影响规律。大气环境分析表明,在高超声速进入条件下,火星大气热力学性质的改变,会改变高超声速气动力的大小和分布,会增加探测器的升阻力系数,对探测器的升阻比和配平特性影响很小,略提高飞行静稳定性。布局形式分析认为,球锥布局的防热大底较球冠布局具有更大的气动阻力,有利于着陆器减速,且较小的法向偏移量可实现足够的配平需求;球锥布局俯仰静稳定度对轴向的敏感度较低,也是探测器从气动考虑选用球锥布局的原因。相关研究结论可为火星探测着陆器的气动布局设计提供理论参考和技术支持。     

环帆伞稳态气动性能研究

<正>降落伞由于具有结构简单、成本较低、减速性能优越和工作可靠性高的特点,被广泛应用于各类有效载荷回收过程中,也是载人飞船回收着陆系统的主要组成部分。环帆伞由于具有充气性能好,开伞动载小,阻力系数大,稳定性好,抗损伤能力强,被广泛应用于航天器的回收着陆中。在回收着陆过程中,降落伞的气动性能对载人飞船的空间运动形式以及最终着陆过程中的速度、姿态有着非常重要的影响。国内外对环帆伞进行了广泛的研究,从理论分析、试     

火星科学实验室进入舱防热材料的发展及相关气动热试验

简要回顾了人类火星探测并成功着陆火星的历史,对火星的基本情况及进入环境进行了介绍。对火星科学实验室项目情况、飞向火星的过程及进入气动热环境进行了描述。详细介绍了火星科学实验室进入舱防热材料的发展及相关气动热试验。     

柔性热防护系统及相关热考核试验

柔性热防护系统为高超声速充气气动减速器的防热需求而发展,主要为大质量地球再入及未来火星的进入、下降和着陆系统的防热而研发。本文介绍了美国针对高超声速充气气动减速器已经进行和正在策划的飞行试验情况以及火星进入、下降和着陆系统对柔性热防护系统的使用热环境需求。对柔性热防护系统的基本组成进行了介绍,详细描述柔性热防护系统的相关热考核试验。     

充气式减速技术试验器的设计和飞行试验

为验证充气再入与式减速技术的原理和返回工作程序,研制了基于多充气环结构的飞行试验器,介绍了试验器的设计方案、技术指标、飞行试验方案,并对试验器的核心装置——充气锥的设计进行了说明。开展飞行试验对部分关键技术进行验证,并对地面试验和演示验证飞行试验情况进行了总结。飞行试验结果表明,基于多充气环结构的充气式减速系统方案合理,折叠包装效率较高,与运载平台分离后快速充气展开,返回过程满足气动减速要求,着陆速度达到预期要求;柔性气动减速技术、刚柔耦合结构设计技术、多充气环结构加工制造技术、高效折叠包装及有序展开技术、快速充气技术、地面试验技术等关键技术得到了验证。     

高超声速稀薄流单层翼伞气动性能及再入轨迹分析

针对航天器返回过程中严重的气动加热和过载问题,提出了一种适用于整个返回过程的单层翼伞技术,从而实现温和的再入过程。采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法,对单层翼伞周围流场进行三维定常模拟,讨论了其作为低翼载荷升力体气动减速器,在再入初始阶段高超声速稀薄流条件下的基本气动性能和再入轨迹。研究结果表明:随着前缘后掠角的增大,翼伞气动性能明显下降,但抗失速能力有所提高;升阻比随着马赫数和飞行高度的增加而下降,较之马赫数,升阻比对飞行高度更为敏感;飞行动压和峰值热流随着翼载荷的增大而增加,而过载随着翼载荷的增大而减小。     

一种用于亚声速飞机概念设计的快速气动分析方法

<正>飞机概念设计阶段需要反复修改气动外形来优化气动特性。在飞机概念设计阶段,传统的方法采用工程算法来估算气动特性~([1])。这种方法的优点是计算速度快,但是只能适用于常规布局飞机,无法应用于非常规布局飞机气动特性估算。数值分析方法可用于非常规布局飞机气动特性估算,但建模过程较复杂,需要三维几何建模、网格划分、流场分析等,难以满足飞机概念设计中快速估算的要求。针对这一问题,本文基于参数化建模方法和快速气动     

火星大气高温光谱建模与非平衡辐射热流预测

火星科学实验室成功着陆后的热环境重构数据表明,气动辐射加热在火星进入防热设计中具有不同于以往认识的重要影响,未知机制和模型不确定性等问题有待进一步研究。探测器高速进入火星大气产生极高温非平衡气动环境,造成火星气动辐射与常规CO₂红外辐射研究显著不同。针对火星大气高温光谱和辐射热流预测,首先,建立适用于火星大气的高温非平衡光谱辐射模型,获得典型高温条件CO₂光谱结构和辐射强度,与NASA和JAXA试验结果对比,结果显示符合较好。其次,依靠激波管和发射光谱测量技术,开展典型进入条件的辐射强度测量试验,数值结果、试验值和NASA试验结果相互符合较好,验证了光谱模型。最后,对探路者号进行气动辐射加热分析,完成典型进入条件下的非平衡流动和辐射特性计算,基于光线法得到光谱辐射强度沿驻点线的变化,表明高速与低速条件的气动辐射机制存在显著差异;基于有限体积法获得进入器表面辐射热流分布,结果显示辐射热流的分布及变化规律与地球再入显著不同,进入速度6 km/s以下时辐射热流随进入速度增加而减小,同时进入器锥身及肩部的辐射热流高于驻点区域。     

两种气动布局飞机的着陆特性分析

应用 2种气动布局飞机在着陆构形下的气动力数据 ,仿真计算了飞机的进场着陆过程 ,通过对着陆性能与飞行品质的分析表明 ,飞机气动特性和飞行员的操纵策略对着陆性能起着重要的作用。     

升力体式密闭救生舱无控制再入研究

将救生舱选定为升力体模型,利用数值模拟的方法动态研究救生舱再入过程中的稳定性和减速性,分析无主动控制的救生舱返回的可行性。针对高超声速和马赫数小于4两种工况,分别采用牛顿理论方法和CFD方法进行气动力计算;利用气动特性计算结果求解六自由度轨道仿真动力学方程进行轨迹计算。研究结果显示,救生舱初始再入条件合适时,其再入过程具有稳定性;仅依靠目前救生舱外形的结构减速不能满足减速性要求,需辅助其他减速措施。     

“返回舱再入跨流域空气动力学”专栏简介

正可回收类航天器如飞船返回舱、探月返回器等,从空间轨道返回过程先后经历自由分子流、稀薄过渡流和连续流,是一个跨流域多尺度非平衡变化过程。如何准确模拟可回收类航天器以极高速度再入跨流域复杂多物理场非平衡绕流问题,特别是可靠预测近连续滑移过渡流区高超声速气动力/热特性,一直是世界航天再入空气动力学研究前沿与瓶颈,对航天器精细化气动设计与成功回收着陆具有重要作用。为此,国家重点基础     

航天飞机三维最优再入轨道及气动加热过程

本文应用现代控制理论研究了航天飞行器三维最优再入轨道和与轨道参数密切相关的气动加热过程。文中选择飞行器迎角和倾斜角作为控制变量,以飞行器气动加热率和飞行过载沿轨道积分最小作为优化性能指标,按极大原理导出最优再入轨道有约束控制的非线性两点边值问题。采用了数值优化方法——共轭梯度法求解有升力飞行器的最优再入轨道及其热过程。文中以允许误差法讨论了权系数和罚函数的选取方法;对不同速度范围研究了不同的加热模型;按热平衡方程与优化轨道同步迭代的方法求得了算例数值结果。算例的数值结果与文献[13]的量值是一致的。     

考虑禁飞圆的滑翔式机动弹道与气动特性参数耦合设计

 为获得滑翔式再入飞行器最佳气动与弹道机动性能,针对规避禁飞圆的远程滑翔式再入问题提出了一种机动弹道与气动特性参数耦合设计方法。耦合设计外环以气动特性参数为设计变量,基于抛物阻力极线模型提取最大升阻比和对应升力系数为气动特性参数;耦合设计内环以泛化升力系数和侧倾角为设计变量,获得给定升阻特性下能规避禁飞圆且满足再入走廊要求的滑翔式再入轨迹。耦合设计问题以再入驻点总热流最小为优化目标,以再入走廊、终端位置和速度为约束,求解满足弹道机动要求且目标函数最小的最佳气动特性参数。提出了一种规避禁飞圆的侧向几何制导逻辑用于内环轨迹设计。仿真算例得出禁飞圆半径越大,需要的滑翔式再入飞行器最大升阻比越大,且再入轨迹刚好能绕过禁飞圆。仿真结果验证了耦合设计方法和侧向制导逻辑的有效性,该方法可为飞行器方案设计时的气动布局选型等工作提供参考。     

一种基于物理机制的飞机增升装置气动噪声快速预测方法研究

随着航空发动机先进噪声控制技术的使用,机体噪声已经成为飞机着陆阶段的主要声源。在民用飞机进场着陆与起飞过程中增升装置和起落架的气动噪声是机体噪声最强声源。本文研究了一种基于物理机制的增升装置气动噪声预测方法,编制了增升装置气动噪声快速预测程序,修正了增升装置气动噪声预估模型,采用国际公开的文献和试验数据与气动噪声快速预测程序计算结果进行对比。编制气动噪声快速预测程序为评估飞机概念设计阶段的部件噪声级提供了工程实用工具。     

保形烧蚀材料及相关气动热试验

保形烧蚀材料基于酚醛浸碳烧蚀材料而发展,主要为未来火星的进入、下降和着陆系统的防热而研发。本文简要回顾了酚醛浸碳烧蚀材料的发展及运用,对保形烧蚀材料的应用需求进行了介绍,主要描述了保形烧蚀材料的定义、研制过程及相关气动热试验。     

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。