航天器返回地球的气动特性综述.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252015V01．36No．124-38ISSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：#hkxb．buaa．educnhkxb@buaa．edu．cn航天器返回地球的气动特性综述方方1’*，周璐2，李志辉31．中国空间技术研究院载人航天总体部，北京1000942．中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室，北京1000943．中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，绵阳621000摘要：航天器返回地球的飞行过程中，气动特性是实现将宇宙飞行速度减到落地前速度、保证再人飞行得到有效控制以

2、及再入防热安全可靠的关键因素。针对简单旋成体气动外形、半弹道式再入控制、烧蚀防热类返回航天器，综述了返回地球过程中变化的空气流域特性、航天器周围的气体绕流环境、空气与航天器作用产生的动力学与热效应等。系统地给出了该类航天器的再入气动特性参数与飞行性能的共性规律，包括：气动阻力与再入减速、气动升力与再入轨迹控制、配平攻角与飞行稳定性、气动加热与防热，以及再人过程中不同气动特性航天器、气象条件变化等对再入飞行性能的影响规律。为航天器开展返回飞行过程的跨流域气动性能工程研制提供设计参考。关键词：航天器；再人；跨流域空气动力学；再入减速；飞行控制；配平攻角中图分类号：V411．4文献标识码：A

3、文章编号：1000—6893(2015)01—0024—15航天器从空间轨道返回地球表面的飞行过程可分为进入(Entry，E)、下降(Descent，D)和着陆(Land，L)3个阶段，称为EDL[1]。航天器以轨道速度进入地球，初始速度极大(以地球宇宙速度再入飞行的马赫数为27．0以上)，通过制动方式改变飞行速度和轨迹方向实现E；利用大气作用减速下降实现D；落地前通过伞系统增大阻力保证L。航天器再入气动性能的研究目标是设计航天器在无动力条件下再人过程的气动性能，利用地球大气环境、航天器与周围空气的相互作用，完成再入飞行任务，保证成功着陆。航天器再入地球大气层，按初始的空间轨道不同可分

4、为地球轨道再入、月地转移轨道再入、其他星球(如火星)转移轨道再人[1‘21等；按利用空气动力对再入轨迹的不同控制方式可分为弹道式再人、半弹道式再人、升力式再人；按再人任务的不同需求可分为载人返回再人、空间物品返回再入‘3。4]。为了满足不同再入飞行任务的D、L阶段对气动特性的不同需求，航天器的气动外形一般可归纳为简单旋成体、升力体、翼升组合体3类口]。这些航天器的气动特性具有以下特点：1)不同类外形航天器、从不同空间运行轨道返回、采用不同再入控制方式的空气动力特性具有共性，可以相互借鉴。2)由于难以准确模拟再人大气环境，不论是数值计算还是风洞试验气动特性的地面预示结果均具有一定的不确定

5、性。收稿日期：2014．08．10；退修日期：2014-09—11；录用日期：2014—11—14；网络出版时间：2014-11—1411：16网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／10．7527／S1000-6893．20140225htmI基金项目：国家“973”计划(2014CB744100)；国家自然科学基金(11325212)*通讯作者Tel．：010—68113021E-mail：1067890319@qqcom引甩格式；FangF．ZhouL．LiZH．Acomprehensiveanalysisofaerodynamicsforspacecraf

6、tre—entryEarth’satmospheresurroundings!J]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2015，36(1)：24—38．方方．周璐，李志辉．航天器返霞地球的气动特性综述!Jj，航空学报，2015，36(1)：24—38方方等：航天器返回地球的气动特性综述253)因高空大气密度的季节差异、低空风的不确定性等一”，实际飞行过程中航天器的飞行性能与地面预示结果存在差异。本文针对从近地球轨道以第一宇宙速度返回、采用控制气动升力在轨道平面大小的半弹道式再入、航天器外形为小升阻比的大钝头倒锥简单旋成体、通过表面材料烧蚀实现气动热

7、的疏导和隔离、接近地面段用伞系统回收着陆这一类航天器，综述了航天器返回地球的气动性能变化特点与影响规律。类似美国的“阿波罗”(Apollo)、“猎户座”(Orion)、“多用途载人航天器”(MPCV)、“天龙”(Dragon)飞船、俄罗斯的“联盟”(Soyuz)、“未来载人运输系统”(PPTS)飞船、欧洲的“乘员运输飞行器”(cTV)口4,78，以及我国的“神舟”飞船的返回再入””一。1航天器返回地球的飞行过程航天器返回到地球表面的任务主要包括