机械展开式减速器气动特性与瞬态温度场数值分析

发布时间：2020-08-18 17:31

【摘要】：可展开式气动减速器以其独特的结构形式可以实现气动面在发射时收拢、进入时展开等功能,克服传统进入航天器气动面尺寸受火箭包络约束的缺点,在未来深空探测领域具有广泛的应用前景。本文设计了一种基于火星探测的机械展开式气动减速器结构方案,用于大质量探测器进入过程的高效气动减速。并针对该方案,对减速器进入时的气动特性、结构受力特性和热防护系统的瞬态温度场等方面进行数值分析。针对减速器进入时的超声速减速问题,本文基于计算流体力学方法对减速器进入时的气动特性进行了数值计算,分析了减速器进入时的流场气动特性;研究了马赫数、攻角等参数对减速器进入时的气动压力、温度分布的影响。采用有限元方法对减速器的结构静、动力学特性进行了数值分析。研究了减速器在初始预紧力和气动压力载荷作用下的结构变形和受力特性;计算了减速器结构固有振动特性,并着重研究了气动载荷对减速器结构固有特性的影响规律。基于展开式减速器气动阻力面的热防护问题,本文对气动热作用下减速器热防护系统的瞬态温度场进行了数值模拟,分析了减速器热防护系统在气动热作用下的瞬态温度响应,并进一步研究了隔热层材料密度、热导率系数、比热容等参数对减速器柔性TPS蒙皮热防护性能的影响。以上研究可为机械展开式减速器的方案选型、结构设计、热防护系统设计提供参考。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH132.46
【图文】：

展开式,减速器

图 1.1 机械展开式减速器[8]陆任务，2010 年，在美国国家航空航划中，提出了一种用于大质量载荷着减速器方案初期被定义为可变形的进荷着陆任务[15]。随后这种技术被应用重新被定义为自适应可展开式进cement technology，ADEPT）[16]。目集中在减速器进入过程中的气动特性

风洞试验模型

中北大学学位论文试验结果相比， CFD 计算结果的轴向压力相对误差低于 3.0％；同时验证了在展开减速器设计过程中，使用基于 CFD 分析方法能够获得可靠气动特性结果。Eric 等[20-22]对机械展开减速系统跨音速绕流进行了数值研究。使用分离的涡流拟（DES）了在跨音速工况下的减速器周围流场。自由来流马赫数为 0.8~1.5，雷诺为 2.09×106~2.93×106之间。结果数据与相关风洞试验的数据相符合。同时，通过DES 结果与使 RANS 模型结果进行比较，来解决模型和数值算法的选择问题。Juan 等[23]通过风洞试验对展开式减速器的气动特性进行了分析，在实验中分别用了刚性模型、柔性织物模型进行对比分析。模型如下图所示：

热流密度

中北大学学位论文载荷的作用下将产生较大的变形，这种凹陷变形将直接导致作用其上的气动热环境发生变化，引起局部热流密度增加，严重时将导致 TPS 蒙皮被烧穿。由于机械展开式减速器目前还处于概念设计阶段，目前主要依靠计算机仿真技术进行分析[9]。Brandon等[6]对包含 TPS 柔性蒙皮变形的机械展开式减速器进行了气动热分析，分析了来流为11.5 km/s 时，减速器没有凹陷、5 cm 凹陷、10 cm 凹陷情况下的阻力面热流密度分布情况，如图 1.3 所示。由数值分析结果可以发现，随着凹陷深度的增大，两辐条中间凹陷的区域热流密度会逐渐降低，辐条前端热流密度迅速上升，当凹陷达到 10 cm 时，阻力面热流密度最大值增加了近 30%。这主要是因为航天器进入飞行过程中，其气动阻力面热流密度与气动面曲率半径的平方成反比，柔性 TPS 蒙皮的变形导致阻力面头部的曲率半径减小，从而导致气动加热升高[25]。

【参考文献】