基于再入轨迹和气动热环境的返回舱烧蚀研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252014V01．35No．180．89ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn基于再入轨迹和气动热环境的返回舱烧蚀研究王俊1，裴海龙2一，王乃洲11．华南理工大学自主系统与网络控制教育部重点实验室，广东广州5106402．华南理工大学自动化科学与工程学院，广东广州510640摘要：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New

2、ton—Raphson和三对角矩阵算法(TDMA)构建动态烧蚀的方法。该方法建立直人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-Ridde[1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：此方法实现了再人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。关键词：返回舱；再入；气动热；烧蚀；有限元法中图分

3、类号：V411．8文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)01—0080—10返回舱再人轨迹的设计与优化是以气动热流、气动负载和动态压力为约束前提，通常并没有考虑热防护材料(ThermalProtectionMaterial，TPM)的属性与材料厚度的选择。而载人返回舱(CrewReturnVehicle，CRV)的再入过程与再入轨迹(Re—entryTrajectory，RT)、气动热环境(AerodynamicHeatingEnvironment，AHE)和热防护系统(ThermalProtectionSystem，TPS)具有紧密的

4、关联。因此，综合研究再人轨迹、气动热和热防护材料与烧蚀的动态关系，有效地预测动态烧蚀的深度和温度，对形成主动式热防护系统的优化设计具有重要的指导意义[1。3]。由于返回舱承载的热流多集中在热防护罩(HeatShields)上，而期望设计的热防护罩能够满足高比热和低驻点热流率的性能，因此吸引了众多学者在优化返回舱的再人轨迹和气动热方面进行了大量的研究。文献E4]选用最优再入轨迹仿真软件(ProgramtoOptimizeSimulatedTrajec—toriesII，POST2)和热流密度计算工具MINI—VERL53提出了再人轨迹与气动热环境的定义，

5、并比较了不同再入条件(如直接月球返回和行星探测返回等)所对应的轨迹和驻点表面热流密度。文献[6]应用Sparta仿真计算再入轨迹和驻点表面热流密度，设计了可应用于各种钝头体返回舱的在线分析数据库，描述了烧蚀温度分布的计算方法。文献[7]针对4种常见的钝头体几何模型设计了行星再入系统合成工具(PlanetaryEntrySystemSynthesisTool，PESST)用于计算返回舱的再入轨迹和驻点热流，同时给出了计算烧蚀的理论公式但并没有实际的动态仿真结果。文献E8]采用修正的JANAF(JointArmy—Navy—AirForce)热化学数据库研

6、究了驻点域的气动热并应收稿日期：2013-02—14；退修日期：2013—03—01；录用日期：2013-03-11；网络出版时间：2013—03-2111：02网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929．V20130321．1102．002html基金项目：国家自然科学基金(61174053)；高等学校博士学科点专项科研基金(20100172110023)*通讯作者Tel．：020—87113594E-mail：auhlpei@scut．edu．cn爨用榕式tWangJ，PeiHL，WangNZ．Researchon

7、ablationforcrewreturnvehiclebasedonre．entrytrajectoryandaerodynamicheat加genvironmen《J]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2014．35(I)：80-89I俊．裴海龙．I乃溯基于再入轨迹和气动热环境的返回舱烧蚀研究!∞航空学报．2014．35(I)：80-89．王俊等：基于再人轨迹和气动热环境的返回舱烧蚀研究用到伽利略号探测器。文献[9]和文献[10]的研究表明，增加钝头体的鼻端半径(NoseRadius)可以有效减少驻点区域由表

8、及里传递的热流，但却大大增加了钝头体返回舱的质量。另外，将再人轨迹和气动热流的结合可以有效地约