火星探测任务中,超声速降落伞对于火星探测器的减速过程起着至关重要的作用。然而,火星探测器与超声速降落伞系统的数值模拟和风洞试验大多在地球环境中进行,不能完全复现火星用降落伞真实的工作环境,所得气动特性也与真实环境下火星降落伞气动特性存在误差。针对这一问题,文章开展了地球和火星大气环境下超声速降落伞系统的数值模拟研究,并分析不同大气环境、来流条件对降落伞系统气动性能的影响机理,以及不同探测器构型对降落伞系统阻力性能的影响。研究发现:相比于地球大气,在火星大气条件下探测器单体尾流颈部点更加靠近探测器,火星大气环境下伞体阻力略低于地球大气环境;随着截锥数量的增加,器前激波脱体距离、激波角度及颈部点至探测器间距均缩短,阻力系数增加;后截锥导致伞体阻力波动幅度增加,流动周期延长。随着来流...

柔性可展开气动减速技术是航天器进入大气环境后进行进一步减速的、最终实现无损着陆的关键技术,是载人航天、登月返回和火星探测等重大航天任务的支撑技术之一,其研究具有重要的理论价值与工程意义。文章首先基于地球大气不同高度的应用场景,对柔性可展开气动减速在地球及地外空间的拓展应用进行了阐述,进而对柔性可展开气动减速器进行了分类介绍,总结了柔性可展开气动减速技术的发展现状。最后在理论层面分析总结了柔性可展开气动减速技术的内涵,以及涉及的空气动力学、柔性结构动力学以及流固耦合等关键的力学分析技术,并根据研究现状和关键技术,对柔性可展开气动减速装置在未来的应用和技术发展进行了展望。

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...

返回式卫星进入地球大气层95km高度左右时,速度达到Ma>20,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...

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...

为了解高超声速再入时气动热载荷对充气式减速器柔性结构的影响,文章基于松散耦合方法开展了极端热载荷工况下的耦合数值研究。文章首先建立了流固耦合和热固耦合两种模型,分别对比研究了气动力和气动热两种气动载荷对蒙皮结构的影响。结果表明,气动热对结构的影响远大于气动力,在高超声速再入时应重点考虑。之后研究了气动热载荷下充气式减速器防热层各功能层温度分布,结果表明,绝热层隔热效果最为显著,绝热层导热系数增大一倍,内部最高温度升高21.7%,热变形最大值升高10.7%。上述成果为充气式减速器的设计提供了一定的理论依据。

针对半刚性机械展开式气动减速技术特点，文章首先选取了八棱台气动外形，分析了考虑柔性面变形影响的气动环境特征，然后开展了连杆机构原理设计和柔性防热结构设计，最后进行了机构构型稳定性仿真分析、柔性防热材料风洞试验验证、柔性防热结构套装及气动面展开性能验证。研究显示:八棱台外形棱边处气动热整体上大于柔性面区域且在棱边靠近边缘处出现最大值;棱边处和柔性面区域的气动压力随径向距离变化不大且两处的气动压力水平相当，而气动剪力随径向距离变化明显且棱边处的气动剪力明显大于柔性面区域;整个连杆机构在气动力作用下不发生结构破坏和失稳，能够保证气动面构型稳定性;新研的柔性防热材料经风洞试验考核能够耐受规定的气动力热环境，并能保证气动面背温在机构正常使用范围内;经原理样机验证，机构运动性...

减速伞是回收着陆系统中重要的气动减速装置，其气动特性关系着整个减速着陆过程的成败。由于减速伞开伞动压高、载荷大的特点，结构设计及参数选择非常关键，并且，为减小开伞动载，一般采用底边收口的形式控制伞衣逐级充气展开。文章所述的减速伞具有两级收口装置，基于某伞型为带条伞的减速伞进行了收口状态的数值仿真分析和风洞试验研究。利用流固耦合方法获得了减速伞的收口展开过程中典型阶段的气动外形，采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法对收口状态下的减速伞进行了气动特性计算分析。同时，为考察减速伞收口状态的稳态阻力特性及收口解除过程中的阻力特性变化，并验证收口解除装置的工作可靠性，在亚声速风洞中对减速伞进行了稳态及动态解除收口试验。通过减速伞风洞实验，对其阻力面积及动态特...

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...

充气式进入减速系统适用于高超声速下飞行器的进入减速、可折叠展开，集成了气动热防护、气动减速和着陆缓冲等多项功能于一体，将成为航天器进入或再入返回的主要技术途径。文章首先归纳了数十年来充气式进入减速系统发展出的主要构型，简述了其主要性能特点;之后以几个典型项目为例，介绍了国际上充气式进入减速系统的发展情况。文章针对充气式进入减速系统最为重要的组成部分——充气展开柔性结构归纳了多场耦合及气动优化设计、轻质柔性耐高温材料、折叠包装与充气展开等关键技术。最后，对充气式进入减速系统的发展情况进行了小结，提出了应用展望。