空间飞行器设计-第11讲要点课件.ppt

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1、1,第11讲,航天器再入与返回,2,航天器再入与返回,航天器分进入式（返回型）和非进入式（非返回型）两大类。航天器从大气层外的飞行轨道进入地球的稠密大气层，称“进入”或“再入”。航天器脱离空间轨道进入大气层并在地面安全着陆的过程，称航天器的返回。航天器设计中有意识地将返回物品和设备集中安装在“再入舱”内，其余的物品配置在“设备舱”、“轨道舱”等内。,3,11.1 返回技术,返回技术是一项重要技术，目前只有少数国家掌握。20世纪40年代末，美、苏实现地球物理火箭和高空生物火箭箭头的回收。50年代末，美国发展照相侦察卫星，经12次连续失败，于1960.8首次从海上回收“发现者13”回收舱。60年代

2、，掌握航天器从绕地轨道和从月球轨道弹道式返回地面技术。70年代，在金星和火星软着陆。“大鸟”侦察卫星的胶卷舱分期返回。我国返回式卫星。80年代，航天飞机，实现了升力式返回技术。,4,11.2 返回过程,返回过程是一减速过程，从轨道上的高速减速到接地时的安全着陆速度。理论上，实现返回有两种方法：利用制动火箭 和 利用空气阻力。单纯利用火箭动力，会增加运载火箭的有效载荷，增加起飞质量；不经济，不现实。利用稠密大气（几十km）对航天器的空气阻力，使航天器减速；经济，可行。需一能量不大的制动火箭。,5,返回的四个阶段：(1)离轨段（制动飞行段）制动火箭作用，脱离原运行轨道，转入一条能进入大气层的过渡轨

3、道。(2)大气层外自由下降段 制动火箭熄火，航天器在重力作用下沿过渡轨道自由下降。在100km左右进入稠密大气层(AB段)。,6,(3)再入大气层（大气层内飞行段）（B点以下）(4)着陆段（回收段）当航天器下降到15km以下的高度，进一步减速，保证其安全着陆。航天器从其他星球航行归来，进入地球大气层（VII），同样要经历再入段和着陆段。,7,航天器返回过程,8,11.3 返回型航天器的分类,再入航天器以很高的速度进入大气层，承受严重的气动加热和制动过载。因此，航天器的气动外形、结构、返回轨道、返回控制等都是按再入段工作条件设计的。航天器在大气层内运动，除受重力外还受空气动力作用。空气动力可分解

4、为阻力D和升力L。按高超声速时的升阻比大小，再入航天器可分为弹道式和升力式（滑翔式）两大类。,9,11.3 返回型航天器的分类（contd.）,再入航天器的分类,10,11.3.1 弹道式再入航天器(L/D=00.5),无升力或只有无法控制的有限升力；外形一般是钝头的轴对称旋转体；在大气里经历的时间很短（不超过400s），总加热量相对小些，防热结构简单。美、苏早期的返回式航天器均属此类。,1.纯弹道式再入航天器,11,11.3.1 弹道式再入航天器(L/D=00.5),缺点：再入过程的运动无法控制。制动火箭工作结束后，落点便已决定。落点偏差大（可达上百公里）；加热时间短，迎风面热流大，常采用烧

5、蚀式防热结构；再入过载大(810g)，只能垂直着陆。可采取伞状阻尼板。,1.纯弹道式再入航天器,12,2.半弹道式再入航天器（L/D0.5),在纯弹道式基础上，增加有限的、可控的升力，以控制再入轨道的航天器叫半弹道式（升力弹道式）再入航天器。原理：将航天器重心配置在离中心轴一段很小的距离处，加以“配平攻角”，产生部分升力。将航天器绕其纵轴旋转一角度，升力得以分解为一个向上的力和一侧向力。后者用以控制航天器的落点。目前，这种再入可控制落点偏差范围在2 km以内。,13,2.半弹道式再入航天器（L/D0.5),图133“双子星座”飞船再入舱重心偏心e=76.2mm。相应的配平攻角14o，L/D=0

6、.19。,14,美国首次在“双子星座”3号飞船上采用了半弹道式再入技术，再入舱重心偏差76.2mm，相应的配平攻角140，飞船可在纵向550km、横向100km范围内调整飞船落点，再入过载为45g，而纯弹道式再入情况下为6g。前苏联从“联盟3”号飞船开始采用半弹道再入技术,此后的“联盟T”、“联盟TM”等。按再入轨道可分为一次再入和跳跃式再入两种。,15,一次再入式轨道是航天器再入大气层后，在飞行过程中轨道呈单调下降，不再跃出大气层。从近地轨道返回地面均采用这种轨道。跳跃式轨道又称起伏式或回弹式再入轨道。航天器在进入大气层一段时间后，调整升力使航天器上行飞出大气层；然后再二次进入。可多次进出大

7、气层，以增加航程、增加调整落点的范围，同时减少再入制动过载。美国Apollo飞船和前苏联“探测器-6”采用。,16,起伏式或回弹式轨道，可用于控制落点。,17,3.升力式再入航天器(L/D0.5),可分为升力体（0.51.3)两种。,1.有翼航天器,具有升力面，升阻比大于1.3，可滑翔数千公里、水平着陆。可以多次重复使用，最大制动过载1g。外形兼顾从高超音速到亚音速各个阶段，几何外形和结构复杂。气动加热热流低，但时间长、总加热量大。防热结构沉重。,18,航天飞机（Space Shuttle）属于有翼航天器。1981年4月，美Columbia 号首次载人升空并成功返回；1988年11月，苏“暴风

8、雪”号首次不载人轨道飞行成功。,19,2.升力体,又称升力艇。没有机翼。利用机身的气动力外形产生一定的升力。升阻比在0.51.3之间。,20,升力体性能介于弹道式再入航天器和有翼航天器之间，吸收了两者的长处。气动载荷较低，制动过载不大(2g)，结构重量中等，要在大气内机动飞行数百公里，可水平着陆，可多次重复使用。如美国X-33（“冒险星”1/2缩聚的原型机）单级入轨火箭验证机。由洛克希德.马丁公司著名的“臭鼬工程队”于1996年开始研制，长 20.29 米，高 5.88 米，翼展 22.06 米。因存在诸多难以突破的技术难关（如线性气塞式发动机），NASA 于2001年3月取消了已经耗资了 1

9、3 亿美元的 X-33 项目。,21,22,11.4 脱离运行轨道（返回轨道）,23,航天器完成预定航天任务后，需及时、迅速地返回地球，并在规定场区安全着陆。航天器纵轴与当地水平面间角度称制动角；航天器再入速度与当地水平面间的夹角称再入角。再入角越大，航天器飞过的总距离越短，返回地面时间也越少。航天器必须有足够大的制动力，若再入角太大，航天器在稠密大气层中飞行时间过长，空气阻力很大、制动过载可能超过允许值及可能导致气动加热严重而使航天器烧毁。,24,如再入角太小，地球引力不足以将航天器拉入大气层，将沿椭圆轨道运行，甚至永远在宇宙空间漂流，成为一颗人造行星。正常情况下，载人飞船允许的最大制动过载

10、值不能超过航天员身体所能承受的程度(10g)，再入角为2左右，对应航程约4000km；不载人的卫星，再入角可达5左右，最大制动过载达15g，航程缩短为20003000km。因此，要选择合理的再入角，使航天器进入“再入走廊”。,25,26,11.5 气动加热和防热措施,航天器高速再入大气层，在空气动力的作用下急剧减速，同时巨大的动能和势能转化为巨大的热能。因此，要尽量减少传递给航天器的热量。,对于弹道式再入航天器，通过精心选择航天器的几何外形来减少传到结构的热量。一般采用钝头形状。98热量被扩散，只有12传给航天器结构。但这些热量仍然很大。,27,防热方法：,热沉法：利用非消融性防热材料的热容量

11、提供对航天器内部结构和设备的保护。热沉（heat sink）式防热结构的蒙皮厚，采用的金属材料的比热高、导热性好，熔点高（铍、铜等），能容纳气动力热传给结构的热量。,28,防热方法：,（2）辐射法：辐射式防热结构的蒙皮采用很薄的耐热合金（镍、铌、钼等合金）。从蒙皮表面向外辐射的热量qw与蒙皮表面温度Tw的4次方成正比。Stefen-Boltzmann（全辐射）定律：式中=5.67x10-8W/m2K4,称Stefen-Boltzmann常数,对绝对黑体=1 目前耐高温金属材料的性能，使辐射法只适用于最大热流不超过100大cal/m2的情况。,29,防热方法：,(3)烧蚀法：固态高分子材料（酚醛

12、玻璃钢、尼龙酚醛增强塑料等）在加热条件下表面部分材料熔化、蒸发或升华，或分解气化。在此过程中，吸收一定的热量，这种现象叫“烧蚀”。广泛应用于远程导弹的弹头防热结构中，也是弹道式航天器的主要防热方式。缺点是再入航天器只能一次使用，并且再入体表面烧蚀后，气动外形略有变化。,30,图76 三种防热法原理示意图,1从气流传来的热流；2蒙皮表面向外辐射的热流；3承力结构；4隔热层；5高热容量蒙皮；6蒙皮；7碳化层；8分解层；9未烧蚀材料；10胶合层。,31,11.6 着陆,航天器下降到15km左右的高度，速度已减小到亚音速。为保证安全着陆，仍需采取进一步的减速措施。弹道式再入航天器常采用降落伞，降落伞具

13、有包装体积小、重量轻、展开后阻力面大、可靠性高的优点。现已有可操纵的降落伞。降落伞着陆系统在15km以下高度工作，一般为两级减速：先在9km左右打开引导伞和减速伞，将航天器减速至80m/s左右；然后在7km左右高度开主伞，减速至最终要求。,32,进入黑障区,牵引伞和阻力伞打开,33,航天器飞行至距地面100公里时进入大气层，产生所谓的“黑障”现象，这是因为航天器与大气剧烈摩擦，在其四周产生了一个等离子(Plasma)壳，此时航天器内暂时无法与地面通讯。距地面40km时出“黑障”区。一般，载人飞船着陆速度不得大于6m/s，在海上不大于10m/s，无人航天器亦不得大于15m/s。,34,缓冲火箭工作,地面与空中搜救,35,载人飞船着陆时，还要有减缓着陆冲击载荷。常用缓冲气囊或缓冲火箭。着陆缓冲火箭在飞船离地1.51.2m时工作，提供向上的冲量。弹道式再入航天器落点散布面较广，为使地面搜救人员发现，航天器上有标位装置。主要有无线电信标机、海水染色剂、发烟罐、闪光灯和金属丝云等。,