火星探测器弹道靶试验外形静动态气动特性的数值研究

发布时间：2019-09-27 14:09

【摘要】：火星探测是当前世界航天发展的热点之一,火星探测器的进入-下降-着陆(entry-descent-landing,EDL)阶段贯穿整个火星大气层,是火星探测项目成功的关键阶段之一。由于火星大气环境的特殊性,探测器所面临绕流特性与地球再入环境有很大的不同,严重影响探测器的稳定性及着陆精度。目前,针对火星大气环境中探测器动稳定性的研究,公开的数据较为匮乏,是我国的火星探测项目发展面临的挑战之一。因此,着眼于我国火星探测项目需求,亟需解决探测器进入火星大气环境中所遇气动问题,开展火星探测器气动稳定性的研究。本文针对火星探测器弹道靶自由飞试验外形,开展火星大气模拟环境下静态和俯仰气动特性数值模拟研究。论文分六章。第一章为引言,阐述本文研究背景和意义,梳理火星探测器EDL阶段显著的气动问题,着重叙述静、动态气动力预测的研究进展及本文研究内容。第二章叙述本文所采用的流体运动控制方程、数值计算方法以及静、动导数参数计算辨识方法。通过Apollo地球返回舱算例对地球大气完全气体计算方法进行验证,考察了网格规模、计算输入参数对结果的影响。第三章根据对火星大气环境特点的文献调研,叙述火星大气流动特性,开展连续介质假设适用性研究,叙述火星大气热力学及输运特性;针对典型火星探测器外形,开展火星大气流动CFD计算数值验证。研究表明,火星表面上空60km以内连续介质假设成立,且雷诺数足够低,对典型探测器外形层流假设成立,可以使用层流NS方程进行流动数值计算。针对典型探测器外形火星大气绕流问题,使用近似比热比方法开展与文献试验结果的数值模拟对比。通过网格拓扑调整克服了近似比热比取值1.15时的计算收敛和稳定性困难。结果表明在EDL高超声速阶段,近似比热比取值1.15的数值结果与试验结果符合一致。第四章针对MSL(Mars Smart Lander)弹道靶试验外形开展静态气动特性的数值模拟研究。进一步通过与NASA火星风洞弹道靶自由飞试验以及文献CFD数值预测的静态气动力对比,验证了所发展计算方法。详细考察了来流参数对弹道靶试验外形静态气动特性的影响规律,重点研究了包含比热比和来流马赫数影响的压缩性效应对探测器前、后体流场结构的影响规律。结果表明,在EDL超声速阶段,近似比热比取值与高超声速阶段有所不同,取值1.3更接近弹道靶试验结果;给出了脱体激波距离与比热比和马赫数的拟合关系式。第五章针对MSL弹道靶试验外形开展俯仰动态气动特性研究。模拟俯仰强迫振荡动态流场,研究高超声速、超声速阶段压缩性效应对该外形动稳定性的影响规律。针对不同的后体外形以及质心位置改变开展动稳定性研究。结果表明,随着近似比热比的减小,探测器动稳定性增强,因此相同计算状态下,与地球环境相比,该外形在火星环境中具有更强的动稳定性。合理选择探测器弹道靶模型后体外形,能够增强其静稳定性;与后体修形相比,质心位置的改变对于提高动稳定性有较为明显的效果。第六章为结束语,对本文的工作进行归纳总结,并针对不足之处进行工作展望。
【图文】：

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探测主要包括月球与火星探测，火星探测（图 1.1）作为继月球探测后迈向太阳系的又一大步，肩负着探索地外生命和起源，利用地外资源能源服务于人类社会的重任美国航天局于 2015 年 9 月 28 日对外宣布，，在火星表面发现了有液态水的证据，这也使火星成为太阳系中最可能存在地外生命的星球尽管火星探测任务充满挑战和风险，尽管曾经遭遇失败，历尽艰辛，但是人类探索的脚步不仅没有停止，反而不断向前迈进，并且步伐越来越快

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等等以美国的典型火星探测器为例，火星探测器进入火星大气层阶段的基本外形均采用钝头体头部和倒锥形尾段（如图 1.2 所示），倒锥形尾段有单锥体双锥体三锥体等表 1.1 将美国典型火星探测器的进入-减速-着陆（进着陆，Entry-Descent-Landing, EDL）阶段的性能参数进行了对比[5]-[8]
【学位授予单位】：中国空气动力研究与发展中心
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P185.3

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