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。

采用多站接力跟踪策略的再入返回器定轨精度研究

针对我国探月工程再入返回段分离前的精度要求,在无法实现对再入返回器的三向测量情况下,提出多站接力跟踪的测量策略,以解决测定轨精度不高的问题。结合再入返回分离前的测控弧段,制定两站及三站接力跟踪的策略。利用ESA"桑巴"(SAMBA)卫星进行多站接力跟踪试验数据分析,结果表明,三站接力跟踪策略的定轨预报精度优于两站接力跟踪策略,能够实现返回器安全可靠地再入返回,可为再入返回任务分离前跟踪策略的制定提供依据。

地球大气再入返回器辐射加热计算方法研究

针对地球大气再入返回器的辐射加热计算方法开展了研究,采用NASA的高温空气辐射加热预测软件QRAD中用到的四光谱带模型,同时考虑了辐射散热效应及非平衡辐射加热。对于返回舱大底的辐射加热分布特性,采用了基于牛顿压力分布的计算方法。计算结果表明,发展的高超声速再入体辐射加热预测方法结果可靠。

再入返回器极端热载荷预测方法

为快速预测返回过程再入器的极端气动热载荷情况,文章以充气式再入器为研究对象,基于动力学运动方程及Kemp-riddell气动热工程公式,采用龙格-库塔方法开展了136组工况的返回过程数值计算,获得了充气式再入系统返回过程的轨迹弹道与驻点热流密度变化情况,研究了驻点热流密度峰值和峰值出现高度与弹道系数、球头半径及再入角度的关系,发现驻点热流密度随弹道系数、再入角度的增加而增加、与球头半径的二次方成反比;但极端热载荷出现高度随弹道系数增加而降低,与球头半径和再入角度无关。文章提出了航天器以第一宇宙速度返回再入时极端热载荷的工程经验公式,采用公式对飞船返回舱、返回式卫星的极端热载荷进行预测,所得结果和试验数据基本一致,表明该预测公式具有较高的准确性和较好的通用性。文章的预测方法适用于再入返回器的设计初期阶段,可快速预测返回器再入过程的极端气动热载荷,满足气动热估算需求,为再入器气动热防护方案的选择提供支持与参考。

月地高速再入返回器化学非平衡气动影响预测与飞行验证

月地高速再入返回器以近11 km/s的速度跳跃式再入地球大气层,相较近地轨道再入飞行器,绕流场化学非平衡效应更加复杂、对返回器气动力影响更为显著.本文分别采用7组分以上的化学非平衡模型分析了化学非平衡效应对返回器60~80 km气动力特性的影响机制与规律,探讨了适于月地高速再入返回器中高空气动特性预测的数值方法与边界条件.最后,利用月地高速再入飞行气动辨识数据与本文建立的化学非平衡模拟算法的计算数据进行对比,确认配平攻角的预测误差不超过0.7°,配平升阻比预测精度优于2.5%,证明本文所建立的方法对于月地高速再入返回器的中高空气动特性预测是有效与高精度的.

高超声速再入飞行器头部辐射加热特性研究

高超声速再入飞行器的热环境特性是热防护设计的重要基础。它主要包括辐射加热和对流加热,一般情况辐射加热较小可以忽略,但部分再入飞行器在低空还具有极高的速度,辐射加热不能忽略。本文针对高超声速再入飞行器驻点的辐射加热特性开展了研究,采用高温空气辐射加热的四光谱带模型,同时计算方法中考虑了非平衡辐射加热及其"截断效应"。计算结果表明,在低空高速再入阶段,辐射加热比较明显,热防护设计需要考虑辐射加热。辐射加热主要由可见连续光谱辐射构成,红外线谱和紫外线谱的辐射加热也比较明显,紫外连续谱辐射以及非平衡辐射效应均不明显。辐射加热沿球头驻点至球头外边缘逐渐减小,影响辐射加热的主要因素有头部半径、飞行高度和飞行速度。