回收舱再入过程的飞行特性研究

摘要

回收舱被发动机助推至距地面700km高度后开始下落,在降至距地面80km高度时开始进入稠密大气层(再入运动开始),再入期间保持大攻角飞行姿态以产生较大的空气阻力进行减速,下落至10～5km高度范围内的某个高度时,当飞行速度及姿态运动满足开伞指定条件时,打开减速伞。本文主要对回收舱的气动外形以及其从再入运动开始到打开减速伞这段历程的弹道特性进行研究,分析回收舱在气动外形所产生的气动力的作用下再入减速情况以及是否满足打开减速伞的条件。本文首先对国内外飞行器常用的再入减速方式进行比较,选择出适合回收舱的再入减速方式,然后针对此减速方式设计出气动外形,在气动外形初步确定后,分别采用工程算法、数值模拟算法进行气动力特性的计算,计算获取的气动特性规律满足预期后,进行回收舱的风洞试验以获取试验数据。回收舱气动外形设计工作完成后,需建立回收舱再入弹道仿真数学模型,通过数学仿真来模拟回收舱的再入运动过程。再入弹道仿真数学模型包括两部分:即标准弹道数学模型和干扰弹道数学模型。再入弹道仿真数学模型建立后,代入风洞试验气动数据、结构参数、再入初始参数等进行仿真计算。首先进行标准弹道计算,分析回收舱在标准情况下的再入弹道特性以及能否达到打开减速伞的要求,然后进行干扰弹道计算,仿真计算出干扰量单独作用对弹道特性的影响,并确定了合适的质心位置和初始俯仰角的值,最后通过蒙特卡洛仿真结果给出各干扰量共同作用下适合减速伞打开的高度区间值。

目录

摘要

ABSTRACT

主要符号表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 课题背景及研究的意义

1.3 国内外研究状况

1.3.1 钝头朝前减速方式

1.3.2 减速板减速方式

1.3.3 高速伞减速方式

1.3.4 细长体大攻角再入减速方式

1.4 本课题研究的主要内容

第二章 回收舱气动外形设计

2.1 引言

2.2 气动设计方法介绍

2.2.1 常用空气动力学基本概念

2.2.2 工程计算方法介绍

2.2.3 数值模拟计算方法介绍

2.2.4 风洞试验方法介绍

2.2.5 飞行试验气动参数辨识方法介绍

2.3 回收舱气动外形设计

2.3.1 气动特性理论计算

2.3.2 风洞试验

2.3.3 回收舱气动特性数据对比

2.4 气动外形设计结论

2.5 本章小结

第三章 回收舱再入弹道仿真数学模型

3.1 引言

3.2 坐标系及坐标系之间的转化关系

3.2.1 坐标系及其定义

3.2.2 坐标系间关系

3.3 地球参考模型

3.4 标准大气模型的建立

3.5 受力分析

3.5.1 地球引力

3.5.2 空气动力

3.5.3 科氏惯性力

3.5.4 牵连惯性力

3.6 质心动力学方程

3.7 质心运动学方程

3.8 绕质心转动的动力学方程

3.8.1 稳定力矩

3.8.2 阻尼力矩

3.8.3 绕质心转动的动力学方程

3.9 绕质心转动的运动学方程

3.9.1 欧拉角参数法描述的回收舱转动的运动学方程

3.9.2 四元素的定义

3.9.3 四元素参数法描述的回收舱转动的运动学方程

3.10 几何关系方程

3.10.1 再入、箭体、速度坐标系之间角参数几何关系

3.10.2 倾侧角、总攻角、攻角、侧滑角之间几何关系

3.11 辅助方程

3.12 轴向、横向过载

3.13 再入弹道微分方程组的求解方法

3.14 积分初值的确定

3.15 干扰弹道仿真数学模型

3.15.1 初始扰动

3.15.2 质量特性偏差

3.15.3 气象参数偏差

3.15.4 气动数据偏差

3.15.5 动不平衡

3.15.6 气动偏心

3.16 本章小结

第四章 回收舱再入弹道仿真结果

4.1 引言

4.2 标准弹道仿真计算

4.2.1 仿真计算初始条件

4.2.2 仿真结果

4.3 干扰弹道仿真计算

4.3.1 各种干扰因素对弹道的影响

4.3.2 质心位置的确定

4.3.3 再入初始姿态的优化

4.4 蒙特卡洛仿真

4.4.1 随机数的产生

4.4.2 随机数检验

4.4.3 仿真结果

4.5 本章小结

第五章 结论

5.1 本文主要工作回顾

5.2 后续研究

致谢

参考文献

攻读工程硕士学位期间的研究成果