【摘要】：火星探測是當(dāng)前世界航天發(fā)展的熱點(diǎn)之一,火星探測器的進(jìn)入-下降-著陸(entry-descent-landing,EDL)階段貫穿整個火星大氣層,是火星探測項(xiàng)目成功的關(guān)鍵階段之一。由于火星大氣環(huán)境的特殊性,探測器所面臨繞流特性與地球再入環(huán)境有很大的不同,嚴(yán)重影響探測器的穩(wěn)定性及著陸精度。目前,針對火星大氣環(huán)境中探測器動穩(wěn)定性的研究,公開的數(shù)據(jù)較為匱乏,是我國的火星探測項(xiàng)目發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)之一。因此,著眼于我國火星探測項(xiàng)目需求,亟需解決探測器進(jìn)入火星大氣環(huán)境中所遇氣動問題,開展火星探測器氣動穩(wěn)定性的研究。本文針對火星探測器彈道靶自由飛試驗(yàn)外形,開展火星大氣模擬環(huán)境下靜態(tài)和俯仰氣動特性數(shù)值模擬研究。論文分六章。第一章為引言,闡述本文研究背景和意義,梳理火星探測器EDL階段顯著的氣動問題,著重?cái)⑹鲮o、動態(tài)氣動力預(yù)測的研究進(jìn)展及本文研究內(nèi)容。第二章敘述本文所采用的流體運(yùn)動控制方程、數(shù)值計(jì)算方法以及靜、動導(dǎo)數(shù)參數(shù)計(jì)算辨識方法。通過Apollo地球返回艙算例對地球大氣完全氣體計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證,考察了網(wǎng)格規(guī)模、計(jì)算輸入?yún)?shù)對結(jié)果的影響。第三章根據(jù)對火星大氣環(huán)境特點(diǎn)的文獻(xiàn)調(diào)研,敘述火星大氣流動特性,開展連續(xù)介質(zhì)假設(shè)適用性研究,敘述火星大氣熱力學(xué)及輸運(yùn)特性;針對典型火星探測器外形,開展火星大氣流動CFD計(jì)算數(shù)值驗(yàn)證。研究表明,火星表面上空60km以內(nèi)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)成立,且雷諾數(shù)足夠低,對典型探測器外形層流假設(shè)成立,可以使用層流NS方程進(jìn)行流動數(shù)值計(jì)算。針對典型探測器外形火星大氣繞流問題,使用近似比熱比方法開展與文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值模擬對比。通過網(wǎng)格拓?fù)湔{(diào)整克服了近似比熱比取值1.15時(shí)的計(jì)算收斂和穩(wěn)定性困難。結(jié)果表明在EDL高超聲速階段,近似比熱比取值1.15的數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合一致。第四章針對MSL(Mars Smart Lander)彈道靶試驗(yàn)外形開展靜態(tài)氣動特性的數(shù)值模擬研究。進(jìn)一步通過與NASA火星風(fēng)洞彈道靶自由飛試驗(yàn)以及文獻(xiàn)CFD數(shù)值預(yù)測的靜態(tài)氣動力對比,驗(yàn)證了所發(fā)展計(jì)算方法。詳細(xì)考察了來流參數(shù)對彈道靶試驗(yàn)外形靜態(tài)氣動特性的影響規(guī)律,重點(diǎn)研究了包含比熱比和來流馬赫數(shù)影響的壓縮性效應(yīng)對探測器前、后體流場結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。結(jié)果表明,在EDL超聲速階段,近似比熱比取值與高超聲速階段有所不同,取值1.3更接近彈道靶試驗(yàn)結(jié)果;給出了脫體激波距離與比熱比和馬赫數(shù)的擬合關(guān)系式。第五章針對MSL彈道靶試驗(yàn)外形開展俯仰動態(tài)氣動特性研究。模擬俯仰強(qiáng)迫振蕩動態(tài)流場,研究高超聲速、超聲速階段壓縮性效應(yīng)對該外形動穩(wěn)定性的影響規(guī)律。針對不同的后體外形以及質(zhì)心位置改變開展動穩(wěn)定性研究。結(jié)果表明,隨著近似比熱比的減小,探測器動穩(wěn)定性增強(qiáng),因此相同計(jì)算狀態(tài)下,與地球環(huán)境相比,該外形在火星環(huán)境中具有更強(qiáng)的動穩(wěn)定性。合理選擇探測器彈道靶模型后體外形,能夠增強(qiáng)其靜穩(wěn)定性;與后體修形相比,質(zhì)心位置的改變對于提高動穩(wěn)定性有較為明顯的效果。第六章為結(jié)束語,對本文的工作進(jìn)行歸納總結(jié),并針對不足之處進(jìn)行工作展望。
【圖文】：

探測主要包括月球與火星探測，火星探測（圖 1.1）作為繼月球探測后邁向太陽系的又一大步，肩負(fù)著探索地外生命和起源，利用地外資源 能源服務(wù)于人類社會的重任 美國航天局于 2015 年 9 月 28 日對外宣布，，在火星表面發(fā)現(xiàn)了有液態(tài)水的證據(jù)，這也使火星成為太陽系中最可能存在地外生命的星球 盡管火星探測任務(wù)充滿挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)，盡管曾經(jīng)遭遇失敗，歷盡艱辛，但是人類探索的腳步不僅沒有停止，反而不斷向前邁進(jìn)，并且步伐越來越快

等等 以美國的典型火星探測器為例，火星探測器進(jìn)入火星大氣層階段的基本外形均采用鈍頭體頭部和倒錐形尾段（如圖 1.2 所示），倒錐形尾段有單錐體 雙錐體 三錐體等 表 1.1 將美國典型火星探測器的進(jìn)入-減速-著陸（進(jìn)著陸，Entry-Descent-Landing, EDL）階段的性能參數(shù)進(jìn)行了對比[5]-[8]
【學(xué)位授予單位】：中國空氣動力研究與發(fā)展中心
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P185.3

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本文編號：2542754