气体参数对气囊缓冲特性的影响分析.pdf

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1、航天返回与遥感第35卷第4期26SPACECRAFTRECOVERY&REMOTESENSING2014年8月气体参数对气囊缓冲特性的影响分析徐诚方（北京空间机电研究所，北京100094）摘要缓冲气囊具有系统简单、质量轻、贮存体积小等优点，在航天器的返回回收与探测器的着陆缓冲中有较广泛的应用。美国的“探路者”、“机遇号”和“勇气号”火星探测器都采用了缓冲气囊系统作为其着陆缓冲装置。文章通过流体力学和热力学的理论推导，提出了可能会对气囊的着陆缓冲过程产生影响的气体参数，通过MSCDytran软件仿真计算了不同气体参数下球形火星着陆缓冲气

2、囊的缓冲过程，并分析了各参数对气囊缓冲特性的影响。研究结果可以为后续的气囊设计及试验提供帮助，并为中国下一步开展火星着陆探测任务提供一定的参考。关键词火星着陆球形缓冲气囊气体参数有限元分析中图分类号:V476.4文献标志码:A文章编号:1009-8518(2014)04-0026-10DOI:10.3969/j.issn.1009-8518.2014.04.004StudyonGasParametersEffectontheAirbagLandingImpactCharacteristicsXUChengfang（BeijingIns

3、tituteofSpaceMechanics&Electricity,Beijing100094,China）AbstractForairbaglandingsystemshavesuchmanyadvantagesassimplestructure,lightmass,smallstoragevolumeetc.,ithasbeenwidelyappliedinspacecraftlanding.The"pathfinder","opportunity"and"spirit"Marsexplorershaveusedtheairba

4、glandingsystemtolandMars.Inthispaper,thetheoryoffluidme-chanicsandthermodynamicsareusedtostudythegasparameters’effectontheairbaglandingimpactcharac-teristics.Then,byusingMSCDytran,somesimulationisdonetocalculatetheinfluenceofvariousparametersontheairbaglandingimpactchar

5、acteristics.Theresearchresultscanprovidereferenceforairbagdesignandtestinthefuture.KeywordsMarslanding;airbaglandingsystem;gasparametric;finiteelementsimulation0引言随着航天技术的发展，深空探测已成为各国未来航天技术发展的趋势之一。其中着陆探测是深空探[1-3]测中最直接有效的一种探测形式，而在月球和火星进行着陆探测更是近期航天活动的热点。我国的探月[4-5]过程中，也涉及在月

6、球的着陆探测。因此，着陆缓冲技术是进行月球以及火星着陆探测的关键技术。与其他着陆缓冲技术相比，气囊着陆缓冲技术具有质量轻、可折叠、贮存体积小、较高的缓冲效率等优点。在以美国为首的各航空航天大国中，气囊着陆缓冲技术已在航天器和空投物资的回收着陆以及[6-9]深空探测器的着陆缓冲中得到了广泛的应用。同时各国还对气囊着陆缓冲技术在载人返回舱的着陆缓[10]冲、空间碎片的防护等领域进行多种应用研究。收稿日期：2013-09-18第4期徐诚方:气体参数对气囊缓冲特性的影响分析27国内在气囊着陆缓冲领域也进行了较多的研究，并在无人机的回收着陆和空

7、投物资的着陆缓冲等领[11-13]域进行了应用。本文针对即将展开的火星探测任务，通过流体力学和热力学的理论推导得出了可能会对气囊缓冲特性产生影响的气体参数，并进行了相应的仿真计算，以期能得到各气体参数对气囊着陆缓冲特性的影响。1理论推导影响气囊缓冲特性的气体参数在气囊的着陆缓冲过程中，着陆器通过压缩气体作功来实现减速着陆和能量耗散。这其中涉及气体参数及能量的变化过程。文章根据热力学理论建立了刚性气体分子模型，推导得到了不同气体比热及比热比的取值；根据流体力学理论及刚性气体分子模型，推导得到了绝热过程外界气囊内气体作功的表达式及其影响因

8、素。1.1充气气体的热容及比热比气体吸收（释放）的热量与其温度变化量的比值为气体的热容，即UclimT0T式中c为气体的热容；ΔU为气体吸收（释放）的热量，即系统的内能变化量；T为气体的温度。气体吸