神舟-8飞船之后——访神舟-8和天宫-1总设计师张柏楠

神舟-8飞船返回舱已经顺利回家,相关的数据分析正在紧张进行中。目前进展如何？有哪些新发现和新问题会对未来神舟-9、10飞船与天宫-1目标飞行器的交会对接产生影响？神舟-9、10飞船是否具备实现载人对接的条件？我国在可重复使用航天器的研铂方面有什么规划？带着这些问题,本刊特约记者采访了神舟-6～10飞船和天宫-1目标飞行器的总设计师张柏楠。     

这里的夜晚静悄悄——“联盟11”号返回舱悲剧

1971年,人类进入太空的第11个年头。 彼时,美国已经有5批航天员小组抵达月球并安全返回。一系列成功使得苏联在这一点上似乎难以望其项背。然而,阿波罗计划将于1972年终止,用余下的阿波罗登月硬件开发的天空实验室将成为美国的第一个空间站,作为去月球和火星的跳板。在美国的刺激下,苏联也将重心转向了“空间站”的建设……     

神舟七号飞船是如何回家的？

2008年9月28日下午16时48分27秒,在太空飞行的神舟七号飞船第一次调姿,飞船在水平面上向左转了90度,飞船轴向变成与飞行方向垂直,目的是为了推进舱和返回舱组合体与轨道舱分离,使得轨道舱离开的方向不在轨道面内,以便在后面的制动时,轨道舱不至于再碰到推进舱和返回舱组合体。曾经用作气闸舱的轨道舱,此刻变成了一颗独立飞行的卫星。准确地讲,本次任务的轨道舱与以往不同,它已没有了动力和能源,仅是一颗没有了生命、等待陨落的星体,后续试验中,它的使命是作为一个无源目标,等待小卫星进行绕飞、观察。     

多用途飞船返回舱虚拟振动试验研究

利用虚拟振动试验软件系统、多用途飞船返回舱的有限元模型和"神舟一号"返回舱的历史试验数据,对多用途飞船返回舱进行虚拟正弦和随机振动试验,考核了返回舱经受动力学环境的能力,研究发现设计方案在一阶共振区响应过大,存在较大的设计缺陷,经过多次迭代优化设计后的模型满足设计要求。研究结果为多用途飞船返回舱的设计和优化提供了依据。     

载人飞船返回舱外测高精度弹道计算与落点预报

针对返回舱再入返回过程中外测弹道计算精度低、稳定性差的问题,仿真分析比较了单点定位、滤波方法和动态滑窗处理等多种外弹道计算方法的精度,提出了一种弹道加权融合计算的实时自动弹道优选方法。结果表明：动态滑窗处理方法精度最高,实时自动弹道优选方法可全程获取多测元跟踪条件下的最优弹道;返回舱外测弹道计算精度和稳定性有明显提高,外测弹道落点预报精度可达到百米量级,着陆时间偏差在1 min以内。     

DES方法对返回舱气动热环境数值模拟

脱体涡模拟方法(DES,Detached Eddy Simulation)由于结合了湍流模型(RNAS,Reynolds Averaged Navier-stokes)和大涡模拟(LES,Large Eddy Simulation)两者各自优势,是模拟非定常大分离流动的有效方法.采用基于SA (Spalart-Allmaras)湍流模型的DES方法,对高超声速返回舱外形进行数值模拟,计算所得的返回舱表面压力及热流分布与实验结果吻合,证实了DES方法的优越性.最后,在DES方法中加入可压缩修正,结果证实在高超声速流动中,可压缩修正方法在一定程度上能够提高原始模型的预测性能.     

带配平翼月球返回舱跳跃再入轨迹优化设计

为解决小升阻比月球返回舱再入大气层时安全性低、机动能力差的问题,提出采用一种带配平翼的中等升阻比返回舱做为月球采样返回舱,并对动压约束下轨迹优化问题进行了分析。首先介绍了一阶状态变量约束最优控制问题。然后采用庞德里亚金极大值原理以总吸热量最小为优化目标,对动压约束下再入轨道的初始再入段进行了优化设计,给出了升力系数的最优表达式。仿真研究表明,该方法能有效地降低返回舱再入过程中的动压。
     

钟形返回舱空气动力特性数值模拟

文章基于Euler方程及N－S方程的数值求解方法，对回舱亚、跨声速和高超声速的流场及气动特性进行了数值模拟，其中Euler方程数值求解采用二阶Godunov有限体积法；N－S方程数值求解采用二阶Harten-Yee格式的差分法，得到同实验值一致的物面压力、气动力系数和在不同速度范围出现的激波、流动分离及旋涡等流场特征。通过完全气体、平衡气体和非平衡气体的流场数值模拟结果分析比较，得出真实气体效应对返回舱气动力特性影响较小这一结论。计算结果表明数值模拟方法是预测返回舱气动特性的有效手段。     

基于再入轨迹和气动热环境的返回舱烧蚀研究简

 针对再入全过程合理预测热防护罩表面材料烧蚀深度和温度的动态变化问题,提出融合再入轨迹、气动热以及Newton-Raphson和三对角矩阵算法（TDMA）构建动态烧蚀的方法。该方法建立直入式和跳跃式三自由度再入轨迹,应用修正的牛顿流体理论估算气动参数,以及修正的Fay-Riddell和Sutton-Grave理论计算驻点区域的热流密度,利用一维非线性热传导方程模拟了热防护材料的烧蚀过程。仿真结果表明：此方法实现了再入全过程热防护材料烧蚀深度和温度连续动态变化的预测,同样适用于更为复杂结构飞行器的动态烧蚀预测,与热平衡积分法（HBI）相比其结果可靠合理,为进一步优化热防护系统（TPS）提供了一定的参考依据。     

飞船返回舱俯仰振荡的动态稳定性研究

本文研究了以平衡攻角为中心作单自由度俯仰振荡的飞船返回舱 ,其动态稳定形态随来流M∞ 的变化。设θ(t)是由平衡攻角起算的俯仰振荡角 ,Cm 是作用在飞船返回舱上的气动俯仰力矩系数 ,Cμ(θ, θ)· θ是机械阻尼力矩 (自由飞行时为零 ,实验时要计入其影响 ) ,文中给出飞船返回舱在平衡攻角处的俯仰振荡动态稳定性判据 ,并证明λ =λ(M∞) = Cm θ0+Cμ(0 ,0 ) 1 - Cm ¨θ0 是决定动稳定形态的重要参数。如果随M∞ 的变化 ,λ(M∞)由λ<0经过λ =0变化到λ>0 ,则飞船返回舱将由稳定的点吸引子形态 (即稳定在平衡攻角状态 )演化为周期吸引子形态 (即作周期振荡 )。对应于λ(M∞) =0的马赫数就是飞船返回舱的俯仰运动出现Hopf分叉的临界马赫数Mcr 。本文首先分析了飞船返回舱所受动态气动俯仰力矩的依赖状态变量 ,然后应用非线性动力学理论对飞船返回舱的俯仰运动进行了定性理论分析 ;最后耦合求解俯仰振荡方程和非定常Navier Stokes方程 ,数值模拟了飞船返回舱俯仰振荡随来流马赫数变化的Hopf分叉过程 ,验证了分析结论