火星气囊气体发生器充气过程稳压仿真研究

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1、航天返回与遥感第33卷第6期SPACECRAFTRECOVERY&REMOTESENSING2012年12月30火星气囊气体发生器充气过程稳压仿真研究张丽梅郝芳(北京空间机电研究所，北京100076)摘要文章对低温和常温环境下的气囊稳压充气过程的参数进行了仿真计算。主要分析计算了气囊内外壁的对流换热、囊内气体与囊壁间辐射以及水蒸气液化等传热方式的传热量。同时，计算了在不同环境温度下．气囊内气体温度、充气质量以及充气质量流率随时间的变化关系。分析结果可以为工程研制提供参考和数据支持。关键词气体发生器气囊稳压参数传热

2、分析火星着陆中图分类号：445文献标识码：A文章编号：1009—8518(2012}06—0030—09DOI：10．3969／j．issn．1009—8518．2012．06．005ResearchonInflationPressureStabilization／MaintenanceofGasGeneratorforMarsLanderAirbagZHANGLimeiHAOFang(BeijingInstituteofSpaceMechanics&Electricity，Beijing100076，China

3、)AbstractPressurestabilizationparametersofgasgeneratorincoldandnormalenvironmentswerecalculated．Convectiveheattransferbothinsideandoutsidetheairbag，moleculargasradiationheattransfer,andwatervaporphase—changeheattransferachieflyresearchedinthispaper．Therelatio

4、nshipsofgastempera~tre，massofexhaustgasandgasgeneratormassflowratewithtimechanginghasbeenobtained．TheanalysisCanprovidethedatatohelpprojectdesign．Keywordsgasgenerator；airbag；pressurestabilizationparameter；heattrans~ranalysis；Marslanding1引言热气源充气技术是利用火药燃烧产生大量的高

5、温气体，高温气体经过滤和降温处理后，充人气囊使其达到额定的压力通过着陆时气囊的缓冲功能，实现航天器的软着陆。该技术开始于20世纪50年代，最早运用于海上救生筏、汽车安全气囊等民用产品中。随着航天的发展，热气源充气技术开始应用于航天器回收、探测器着陆缓冲等很多方面。美国早在20世纪90年代就成功地将热气源充气技术用于“火星探路者”、“机遇号”和“勇气号”的着陆气囊充气过程中。国内目前主要采用冷气源充气技术对气囊充气，该充气方式的设备体积大，质量重，易泄收稿日期：2011-04-01第6期张丽梅等：火星气囊气体发生器

6、充气过程稳压仿真研究31露，不易长期储存，不能用于深空探测。而热气源充气技术具有体积小，质量轻，易储存的优点。因此，进行热气源充气技术的研究是非常必要的在火星探测器着陆过程中，保证气囊内压力相对稳定是非常关键的技术．是气囊正常完成缓冲功能的重要保证。但采用热气源气体发生器对气囊进行充气后，以下两个原因会导致气囊内气体压强下降：外界环境温度远低于燃气温度，高温气体充人气囊后，不断向外散热，气体本体温度逐渐降低，导致充气压强下降：燃气中含有水蒸气，充人气囊后，部分水蒸气因温度迅速降低而液化，使气囊内气体质量减少，导致

7、充气压强下降。为了使气囊既能可靠、有效地完成缓冲功能。又要防止气囊因充气压强过高，使着陆器在着陆过程中反复弹起，影响缓冲效果。因此，需要在快速充气后。缓慢地向气囊内补充充气以弥补气囊内压力的正常下降。本文通过对气囊稳压过程中的关键参数进行仿真计算．得到影响稳压充气的参数变化规律．对气体发生器稳压过程的工程设计具有一定的指导意义．减小研究成本．缩短研制周期。2气囊内气体传热分析传热方式按不同的热量传递机理可分为热传导、热对流和热辐射3种，如图1所示。假设气囊为球形，在稳压充气过程中．气囊内气体在实验室环境下的传热过

8、程需要考虑4个方面：气囊内气体和气囊内壁间以及气囊外壁和环境空气之间的热对流；气囊内外壁的热传导；囊内气体与气囊内壁间的辐射传热；水蒸气液化吸热。充入的高温气体图1气囊热交换示意图Fig．1Heattransferofairbag2．1复合传热分析一个复杂的传热过程一般包括对流、热传导和热辐射中的2个或者3个。如图2所示，气囊壁的传热方式包括热对流和热传导两种传热方式。3