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航空学报
航空学报

孙晓峰

月刊

1000-6893

hkxb@buaa.edu.cn

010-82317058，82318016，82315020

100191

北京市海淀区学院路37号

航空学报/Journal Acta Aeronautica ET Astronautica SinicaCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本学报是中国航空学会主办的综合性航空航天学科学技术期刊，长期在我国航空航天类中文核心期刊排名第一。主要栏目有论文、综述、研究简报及简讯等。
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    高速柔性气动减速器关键技术研究进展

    薛晓鹏贾贺荣伟蒋伟...
    1-31页
    查看更多>>摘要：柔性气动减速技术是航天器高速进入地外天体或再入地球大气安全着陆的关键核心技术,随着中国载人航天和深空探测等重大任务的持续推进,航天器更快的进入速度和更重的载荷对于高速柔性气动减速器的需求日益迫切.而高速柔性气动减速器的力学模型兼具强非线性和强耦合特性,且涉及研究领域极广,如需考虑钝性和多孔结构的气动特性、非线性结构动力学、可压缩湍流、结构气动热及其相互耦合等问题.因此,开展高速柔性气动减速器的基础理论和关键技术研究具有极大的难度和复杂性但意义重大.首先对高速柔性气动减速器进行分类;然后分析梳理了高速柔性气动减速技术的技术内涵,并系统地回顾和综述了其关键技术的发展历史和研究进展;最后,对高速柔性气动减速器关键技术的未来发展方向和亟需解决的关键问题进行了总结展望.

    进入减速着陆超声速降落伞充气式进入减速器气动特性流固热耦合

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    行星探测用柔性降落伞跨/超声速气动特性及耦合机理

    贾贺蒋伟包文龙徐欣...
    32-54页
    查看更多>>摘要：中国针对金星、木星等行星的星际探测新征程已经开启,且正在论证之中.然而,这些行星均具有稠密的大气和更高的大气压力,这与地球、火星的大气环境有较大区别.在以往成功的行星探测中发现,此类复杂的行星大气环境中的气动减速过程需要多级降落伞来完成,且需在跨/超声速条件下开伞和工作,同时第一级引导伞的名义直径会明显小于主伞,也小于前体直径,不同尺寸的两级伞与前体之间的流固耦合机理及其气动特性至今尚不明确,同时相关研究报道亦极少.本文基于稠密大气行星探测任务中适用的锥形带条伞和盘缝带伞,采用浸入边界方法研究不同行星大气环境中柔性降落伞工作过程的流固耦合机理,深入考察不同来流马赫数、伞型、大气成分及参数与直径比影响下的流固耦合特性.研究结果发现:土卫六大气环境中,盘缝带伞(直径比0.3)在跨声速时进行稳降,随着时间变化,伞衣的投影面积逐渐增大,阻力系数在马赫数1.5时达到最大,但其波动变化随着马赫数的增大而单调增大.另外,在马赫数为0.95、直径比0和1时伞衣均出现了极为剧烈的摆动现象.相比之下,木星大气环境中,跨声速条件下锥形带条伞伞衣随着时间推进,投影面积变化越来越小.阻力系数及其波动会随着马赫数增大而单调增大,横向力系数及其波动程度在马赫数1.5时出现最大.最后比较土卫六、金星和木星大气环境中的降落伞气动表现,发现木星大气环境中锥形带条伞性能最佳,阻力系数较大,且稳定性较好.

    深空探测跨/超声速降落伞系统气动特性流固耦合机理气动减速技术

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    透气性对盘帆伞充气性能和气动特性的影响

    邹天琪薛晓鹏赵党军杨德贵...
    55-70页
    查看更多>>摘要：超声速降落伞是火星探测器成功实现软着陆的关键技术之一,然而,目前火星探测在着陆任务采用的主流伞型-盘缝带伞已达该类伞型减速能力的尺寸极限.为了应对未来更重载荷的火星探测任务,NASA已针对超声速盘帆伞开展了专项研究.但盘帆伞飞行试验均以失败告终,造成这一结果的原因很可能与伞衣的透气性(织物透气性和结构透气性)有关.采用流固耦合方法针对超声速盘帆伞设计不同的组合透气性方案,对比分析在总孔隙率相同的前提下盘帆伞衣采取不同的结构/织物分配比例对降落伞开伞过程中流场结构及气动特性的影响规律,并研究其作用机理.同时,设计了与G5F5、G7F3这2种伞衣结构孔隙率相同的盘缝带伞伞衣进行开伞特性对比分析.结果表明:对于总孔隙率12%的超声速盘帆伞,结构透气性与织物透气性的贡献比为5∶5时,降落伞前的脱体激波波动幅度较小,降落伞的稳定性能相较其他组合透气性有明显优势,同时在结构和织物透气性的共同作用下,充气时间最长;结构透气性与织物透气性的贡献比为7∶3时的阻力性能最佳,随着织物透气性的贡献由30%提高至70%,盘帆伞的阻力性能呈现下降趋势;结构透气性与织物透气性的贡献比为6∶4时的摆动角度最大,稳定性最差.另外,通过对比盘帆伞与盘缝带伞开伞过程发现:盘缝带伞呈现常见的"灯泡式"充气顺序,而盘帆伞则展现出一种"伞带式"充气顺序,即气流首先从伞带处开始充气,随后逐渐扩散至整个伞面.该研究结果可为新一代火星降落伞的设计提供一定的理论参考.

    火星降落伞结构/织物透气性充气性能流固耦合气动特性

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    基于融合代理策略的超声速降落伞气动优化设计

    姜璐璐潘鑫蒋伟冯瑞...
    71-85页
    查看更多>>摘要：超声速降落伞作为提供气动阻力和稳定性的重要气动减速系统,其设计好坏直接影响着探测器着陆任务的成败.适应不同气动性能需求的降落伞结构参数通常是相互矛盾的,为了解决火星降落伞在外形设计时的结构参数矛盾,以及设计周期长、计算误差大的问题,本文提出了一种面向探测器-降落伞双体模型的融合代理优化策略.融合代理模型集成了插值型代理模型和回归型代理模型的优点,能够在相同样本的条件下具备更高的气动力系数预测精度.通过采用融合代理模型替代长耗时的计算流体力学(CFD)计算过程,能够缩短设计周期,提高设计效率.结合多目标遗传算法对探测器-盘缝带伞双体模型进行了优化设计,结果表明,采用融合代理优化策略能够平衡伞体的阻力性能及稳定性能,在满足结构及气动约束的前提下提升盘缝带伞的综合减速能力,具有良好的实用性和可行性.文章的研究结果可为未来新一代火星探测用超声速降落伞的设计研制提供一定的理论参考和技术储备.

    融合策略火星降落伞优化设计代理模型超声速

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    充气式减速结构壁面变形对热化学非平衡流场的影响

    刘宇赵淼何青松
    86-98页
    查看更多>>摘要：在高超声速来流压力的作用下,充气式减速结构壁面在迎风面会发生变形,进而对流场产生影响.基于热化学非平衡反应模型,对充气式减速结构在壁面变形前后的流场进行了仿真计算,分析了在不同来流迎角下,壁面变形对流场特征、壁面热流及壁面压力的影响.充气式减速结构外形为球锥组合体,由刚性端面和6个充气环组成,半径为2.4 m,半锥角为60°.计算采用5组分双温度热化学反应模型,壁面催化条件包括非催化壁面和完全催化壁面.结果表明:壁面变形会导致充气式减速结构激波层内出现周期性的温度和压力波动,以及离解组分的非均匀分布;壁面变形对流场各参数的影响随着来流迎角增大而减弱;壁面变形后,流速的变化导致壁面在充气环处热流升高、压力降低,在充气环之间凹陷处热流降低、压力升高,壁面变形对压力造成的影响要弱于对热流的影响;壁面变形后充气减速结构前端面气动力系数无明显变化.

    充气式减速高超声速气动热非平衡反应双温度模型

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    群伞减速系统刚柔耦合动力学建模与分析

    王海涛雷江利荣伟
    99-113页
    查看更多>>摘要：群伞减速系统被新一代可重复使用载人飞船普遍采用,对群伞系统进行动力学分析评估是航天器减速任务设计分析的重要环节.针对航天器群伞减速系统建立了多阶段、变结构、多维度刚柔耦合非线性多体动力学模型,分析了系统动力学模型的特点,指出群伞减速系统动力学具有复杂系统动力学的属性.通过仿真分析了航天器、减速伞和主伞在系统仿真中的动力学和运动参数,并对蒙特卡洛偏差仿真的结果进行了总结.仿真验证和分析结果表明,建立的刚柔耦合动力学模型能够准确模拟群伞减速系统工作过程和群伞碰撞等动力学行为.最后,针对降落伞减速系统动力学存在的问题和未来发展进行了分析和建议.

    群伞系统刚柔耦合复杂系统动力学建模减速

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    基于ANCF和SPH的柔性降落伞流固耦合动力学仿真

    李庆军鲁媛媛徐方暖王博...
    114-128页
    查看更多>>摘要：针对降落伞在展开后下降过程中,降落伞与空气流场之间的柔性结构流固耦合动力学问题,鉴于绝对节点坐标方法(ANCF)在描述柔性结构大变形问题时,克服了传统有限元建模方法带来的弹性变形与刚性变形强耦合问题,本文基于ANCF建立柔性伞绳和伞衣的力学模型.同时,考虑到光滑粒子流方法(SPH)在流场极大变形时,能够自然地捕获快速移动的界面和自由表面,本文采用SPH模拟空气流场,通过弹簧-阻尼模型描述流体粒子和柔性结构之间的耦合效应,对大柔性降落伞进行流固耦合动力学仿真研究.通过数值试验发现:随着流场速度的增大,降落伞有效面积平均值虽然只出现小幅下降,但随时间变化的幅度显著增加.本文研究结果将为柔性降落伞设计提供理论支撑.

    降落伞流固耦合绝对节点坐标方法光滑粒子流方法动力学

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    薄膜增阻球折叠优化设计与展开分析

    杨科莹矫宁张若楠
    129-140页
    查看更多>>摘要：增阻球是实现低轨航天器寿命末期离轨的主要装置之一,薄膜球体在使用之前需要长期封装在狭小的空间中,因此如何实现高密度低损伤折叠以及平滑充气展开是该装置使用的关键.考虑到增阻球大多是由一定数量的单瓣粘接而成,因此首先提出考虑形状稳定性和经济性的最优瓣数构型设计方法.进一步针对单瓣结构提出对称并联式z型折叠方案,并给出了该方案的折叠体积和损伤量化方法.然后,为增大折展比,降低折痕损伤,给出了增阻球优化折叠方案,并对直径6 m增阻球进行了仿真验证.基于此方案,分析了瓣数构型、充气速度以及球体内部初始压力和温度等因素对增阻球平滑展开的影响.结果表明,该折叠方案能够实现增阻球的高密度低损伤折叠,此外,通过增加瓣数构型、减缓充气速度、避免过度抽真空以及减少太阳光直射等方法,可以有效减缓增阻球展开过程中的姿态振荡,加快其达到稳定状态.

    增阻球高密度折叠折痕损伤折叠方案优化充气展开

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    基于流固耦合方法的翼伞操纵力研究

    曹皓然黄立家李茜茜余莉...
    141-151页
    查看更多>>摘要：翼伞操纵力是精确空投系统伺服电机选取的关键指标.本文提出了一种基于任意拉格朗日欧拉(Arbitrary Lagrange Euler,ALE)的翼伞操纵力计算方法,以文献翼伞为例进行了不同操纵行程下操纵力计算,计算结果与试验结果规律一致,操纵力误差<5%.在此基础上,探究了空投工况下操纵力的耦合机理及动态变化规律,发现操纵绳下拉至目标操纵行程瞬间,操纵力最大,之后逐渐变小直至稳定.并考察了操纵参数对操纵力的影响,结果表明:操纵速率一定,随着操纵行程增加,最大操纵力及稳态操纵力增大,但增长率均减小;操纵行程一定,随着操纵速率增加,最大操纵力增大,稳态操纵力几乎不变;相比于操纵行程,操纵速率对最大操纵力的影响能力较弱.本文研究成果可为翼伞操纵绳设计及伺服电机选择提供理论依据.

    翼伞ALE方法流固耦合操纵力操纵行程操纵速率

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    空间环境对高性能纤维力学性能及结构的影响

    裴诗祺蒋金华陈南梁王凯...
    152-163页
    查看更多>>摘要：增阻球离轨是一种处理低地球轨道(LEO)空间碎片问题的有效手段,采用高性能纤维一体化织造工艺制作增阻离轨球能够有效改善拼接结构的曲面不规整问题.在离轨周期中,高性能纤维材料将长期受到低地球轨道中高低温交变、原子氧(AO)辐照等环境因素的影响.为探究LEO环境中高低温交变和原子氧辐照两种主要的空间环境因素对高性能纤维结构和性能的影响,选择空间环境适应性好的纤维进行织造,测试研究了聚酰亚胺纤维、聚芳酯纤维Vec-tran、聚芳酯纤维Yokolar 3种有机高性能纤维经过高低温交变处理和原子氧辐照处理的力学性能、表面形貌及化学结构变化.高低温交变处理后3种纤维强力降低,但强力保持率均高于70%;纤维表面观察到轻微的颗粒、沟槽等缺陷;红外光谱特征峰形状无明显变化,化学结构基本稳定.原子氧辐照后3种纤维的力学性能损失幅度均高于40%,且发黏变硬、柔性变差;聚酰亚胺纤维表面存在大量凹凸起伏和粗细不匀且有明显的侵蚀孔洞,在两种聚芳酯纤维表面观察到原纤化劈裂和剥离;处理后纤维的红外光谱中出现新的特征峰,部分原有特征峰强度减弱或消失,3种纤维的化学结构均被破坏.3种高性能纤维均具有较好的耐高低温性能,但原子氧辐照对3种纤维的结构和性能均造成了严重破坏,需要进一步探究高性能纤维原子氧防护的处理方法.

    高性能纤维高低温交变原子氧力学性能聚酰亚胺聚芳酯

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