飞行器再入俯仰动态失稳分叉理论计算分析

摘要

采用非线性自治动力系统分叉理论,耦合求解非定常Navier-Stokes 程和俯仰运动方程,研究了再入飞行器单自由度俯仰运动失稳问题.研究表明,航天飞行器再入时,如果仅有一个配平攻角,随马赫数降低,其配平攻角处的俯仰姿态动态失稳一般对应于Hopf 分叉.作为验证实例,数值模拟了一个球冠倒锥飞船返回舱外形和一个平头有翼双锥外形的俯仰动态失稳现象,结果表明,该返回舱再入时随马赫数降低,发生超临界Hopf分叉,俯仰运动由点吸引子演化至周期吸引子,临界Hopf分叉点约为马赫数2.2 ,与飞行试验符合较好;而平头再入体随马赫数降低,发生亚临界Hopf分叉,俯仰运动则是由周期吸引子演化至点吸引子,临界Hopf分叉点约为马赫数6.8 .发生亚临界Hopf分叉失稳一般不影响飞行任务,而发生超临界Hopf分叉则往往带来风险,可能导致飞行任务失败.