空间飞行器设计-第11讲
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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。
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航天器返回过程
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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。
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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。
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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,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。
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2. 半弹道式再入航天器(L/D<0.5)
图· 13-3 “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=0.19。
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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4- 5g,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。
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11.3 返回型航天器的分类(contd.)
再入航天器的分类
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11.3.1 弹道式再入航天器(L/D=0~0.5) 1. 纯弹道式再入航天器 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。
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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)。
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(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。
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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 13 亿美元的 X-33 项目。
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11.3.1 弹道式再入航天器(L/D=0~0.5) 1. 纯弹道式再入航天器 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,常采用烧蚀 式防热结构; 再入过载大(8~10g),只能垂直着陆。可 采取伞状阻尼板。
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Байду номын сангаас
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 雪”号首次不载 人轨道飞行成功。
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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0.5-1.3之 间。
第11讲 航天器 再入 与返回
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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,其余的物品配臵在“设 备舱”、“轨道舱”等内。
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起伏式或回弹式轨道,可用于控制落点。
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3. 升力式再入航天器(L/D>0.5) 可分为升力体(0.5<L/D<1.3)和有翼航天 器 (L/D>1.3)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。
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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。
2. 半弹道式再入航天器(L/D<0.5) 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:将航天器重心配臵在离中心轴一段 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。