CN112693628B - 一种火星着陆巡视器的气动布局结构 - Google Patents

一种火星着陆巡视器的气动布局结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种火星着陆巡视器的气动布局结构，涉及巡视器的气动布局技术领域，包括：舱体，舱体为回转体结构，舱体包括由下至上依次设置的头部、后体、过渡体和尾部；舱体的质心设置在回转体结构的轴线的一侧；配平翼，可伸缩地嵌设在后体内，配平翼设置在回转体结构的轴线的另一侧，配平翼伸出时能够使得火星着陆巡视器的攻角变为0°；该火星着陆巡视器的气动布局结构将舱体的质心偏置，无需展开配平翼即可实现巡视器的有攻角进入，在开伞前再将配平翼伸出，使巡视器的攻角回复到0°，保证开伞安全，这使得配平翼的使用时间大大缩短，降低对配平翼的动作机构和防热系统的要求。

Description

一种火星着陆巡视器的气动布局结构
技术领域
本发明属于巡视器的气动布局技术领域，更具体地，涉及一种火星着陆巡视器的气动布局结构。
背景技术
目前世界上提出带配平翼的火星进入飞行器气动布局方案的仅有美国的火星科学实验室改进型(MSL-I)，其采用的是质心无偏置的方案。如图1和图2所示，分别为现有火星进入飞行器的配平翼的收起和展开状态示意图，其技术思路是在火星进入飞行器101的一侧加装一个配平翼102(Trim Tab)，在火星进入飞行器101进入火星大气层时即把配平翼102展开，外形的轴向不对称会使得火星进入飞行器101上产生升力，实现有攻角进入；在开伞前再将配平翼102收拢，使火星进入飞行器101的攻角回复到零度附近，以保证开伞的安全。
对于这种质心无偏置的方案，在进入过程的大部分阶段配平翼102始终都要保持为展开的状态，直至开伞之前的超声速阶段才收拢。基于我们已有的研究结果可以得出，在此过程中配平翼102需要长时间承受较高的气动载荷(包括气动力与气动热)，这对于支撑配平翼102的作动机构以及配平翼102上的防热材料会带来很大的挑战。如果作动机构失效或者防热材料承受不住严酷的气动加热，则着陆器势必不能顺利开伞以及着陆。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种火星着陆巡视器的气动布局结构，将舱体的质心偏置，无需展开配平翼即可实现巡视器的有攻角进入，在开伞前再将配平翼伸出，使巡视器的攻角回复到0°，保证开伞安全，这使得配平翼的使用时间大大缩短，降低对配平翼的动作机构和防热系统的要求。
为了实现上述目的，本发明提供一种火星着陆巡视器的气动布局结构，包括：
舱体，所述舱体为回转体结构，所述舱体包括由下至上依次设置的头部、后体、过渡体和尾部；
所述舱体的质心设置在所述回转体结构的轴线的一侧；
配平翼，可伸缩地嵌设在所述后体内，所述配平翼设置在所述回转体结构的轴线的另一侧，所述配平翼伸出时能够使得所述火星着陆巡视器的攻角变为0°。
可选地，所述头部为下端小上端大的圆锥状，所述头部的下端为球状。
可选地，所述后体为下端大上端小的圆锥状。
可选地，所述后体的下端外周与所述头部的上端外周圆弧过渡连接。
可选地，所述过渡体为下端大上端小的圆锥状，所述过渡体的锥度大于所述后体的锥度。
可选地，所述尾部为下端大上端小的圆锥状，所述尾部的上端为平面，所述尾部的锥度小于所述过渡体的锥度。
可选地，所述后体与所述过渡体通过圆弧过渡连接，所述过渡体与所述尾部通过圆弧过渡连接。
可选地，所述配平翼为平板状。
可选地，所述后体上靠近所述头部的一侧开设有滑槽，所述配平翼滑动设置于所述滑槽内。
可选地，所述配平翼的外端为圆弧状，所述配平翼的外端的圆弧半径与所述配平翼所处平面内的后体的半径相配合。
本发明提供一种火星着陆巡视器的气动布局结构，其有益效果在于：
1、该火星着陆巡视器的气动布局结构将舱体的质心偏置，无需展开配平翼即可实现巡视器的有攻角进入，在开伞前再将配平翼伸出，使巡视器的攻角回复到0°，保证开伞安全，这使得配平翼的使用时间大大缩短，降低对配平翼的动作机构和防热系统的要求；
2、该火星着陆巡视器的气动布局结构的配平翼采用可伸缩地嵌设在后体内的结构形式，并且配平翼的外端形状与后体的外形相配合，配平翼缩回状态时不改变后体的外形，配平翼只在开伞前伸出使用，对作动机构的强度以及防热系统的要求能够大大降低。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了现有技术中的一种火星进入飞行器的配平翼的收起状态的结构示意图。
图2示出了现有技术中的一种火星进入飞行器的配平翼的展开状态的结构示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的一种火星着陆巡视器的气动布局结构的配平翼收缩状态的示意图。
图4示出了根据本发明的一个实施例的一种火星着陆巡视器的气动布局结构的配平翼伸出状态的示意图。
图5示出了根据本发明的一个实施例的一种火星着陆巡视器的气动布局结构的配平翼伸出状态的示意图。
图6示出了根据本发明的一个实施例的一种火星着陆巡视器的气动布局结构的配平翼伸出状态的示意图。
图7示出了根据本发明的一个实施例的一种火星着陆巡视器的气动布局结构在Ma＝1.2时火星着陆巡视器在α＝0°～-180°攻角范围内质心俯仰力矩系数CMzg随攻角的变化曲线图。
图8示出了根据本发明的一个实施例的一种火星着陆巡视器的气动布局结构在Ma＝2时火星着陆巡视器在α＝0°～-180°攻角范围内质心俯仰力矩系数CMzg随攻角的变化曲线图。
图9示出了根据本发明的一个实施例的一种火星着陆巡视器的气动布局结构在Ma＝3时火星着陆巡视器在α＝0°～-180°攻角范围内质心俯仰力矩系数CMzg随攻角的变化曲线图。
图10示出了根据本发明的一个实施例的一种火星着陆巡视器的气动布局结构在Ma＝0.3～1.05时配平翼展开状态在α＝-20°～20°攻角范围内质心俯仰力矩系数CMzg随攻角的变化曲线图。
图11出了根据本发明的一个实施例的一种火星着陆巡视器的气动布局结构在α＝0°，配平翼展开亚跨声速马赫数Ma＝0.3时该火星着陆巡视器的流场图。
图12出了根据本发明的一个实施例的一种火星着陆巡视器的气动布局结构在α＝0°，配平翼展开亚跨声速马赫数Ma＝0.5时该火星着陆巡视器的流场图。
图13出了根据本发明的一个实施例的一种火星着陆巡视器的气动布局结构在α＝0°，配平翼展开亚跨声速马赫数Ma＝0.6时该火星着陆巡视器的流场图。
图14出了根据本发明的一个实施例的一种火星着陆巡视器的气动布局结构在α＝0°，配平翼展开亚跨声速马赫数Ma＝0.75时该火星着陆巡视器的流场图。
图15出了根据本发明的一个实施例的一种火星着陆巡视器的气动布局结构在α＝0°，配平翼展开亚跨声速马赫数Ma＝0.9时该火星着陆巡视器的流场图。
图16出了根据本发明的一个实施例的一种火星着陆巡视器的气动布局结构在α＝0°，配平翼展开亚跨声速马赫数Ma＝1.05时该火星着陆巡视器的流场图。
附图标记说明：
图1和图2中：
101、火星进入飞行器；102、配平翼；
图3至图16中：
1、舱体；2、头部；3、后体；4、过渡体；5、尾部；6、配平翼。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图3示出了根据本发明的一个实施例的一种火星着陆巡视器的气动布局结构的配平翼收缩状态的示意图；图4示出了根据本发明的一个实施例的一种火星着陆巡视器的气动布局结构的配平翼伸出状态的示意图；图5示出了根据本发明的一个实施例的一种火星着陆巡视器的气动布局结构的配平翼伸出状态的示意图；图6示出了根据本发明的一个实施例的一种火星着陆巡视器的气动布局结构的配平翼伸出状态的示意图。
如图3至图6所示，本发明提供一种火星着陆巡视器的气动布局结构，包括：
舱体1，舱体1为回转体结构，舱体1包括由下至上依次设置的头部2、后体3、过渡体4和尾部5；
舱体1的质心设置在回转体结构的轴线的一侧；
配平翼6，可伸缩地嵌设在后体3内，配平翼6设置在回转体结构的轴线的另一侧，配平翼伸出时能够使得火星着陆巡视器的攻角变为0°。
具体的，舱体1为轴对称钝头体，由下至上依次由头部2、后体3、过渡体4以及尾部5组成；头部2为球锥形状，头部2通过倒圆过渡至后体3，后体3为锥面形状，过渡体4连接后体3与尾部5，尾部5同样为锥面形状；配平翼6安装在后体3迎风面上，配平翼6按照内嵌式保型设计，其外端形状为圆弧状，配平翼6伸出前状态完全与后体3舱壁表面相契合，伸出后与舱体1对称轴相垂直。
进一步的，质心偏置的方案是在进入火星大气层时配平翼6保持为收拢的状态，通过质心偏置实现该火星着陆巡视器的有攻角进入，在开伞前再将配平翼6伸出，配平翼6上产生的恢复力矩能够使着陆巡视器的攻角回复到零度附近；在这种方案下配平翼6只在开伞之前的超声速阶段才展开，其作用时间短，对作动机构的强度以及防热系统的要求能够大大降低。
在本实施例中，头部2为下端小上端大的圆锥状，头部2的下端为球状。
在本实施例中，后体3为下端大上端小的圆锥状。
在本实施例中，后体3的下端外周与头部2的上端外周圆弧过渡连接。
在本实施例中，过渡体4为下端大上端小的圆锥状，过渡体4的锥度大于后体3的锥度。
在本实施例中，尾部5为下端大上端小的圆锥状，尾部5的上端为平面，尾部5的锥度小于过渡体4的锥度。
在本实施例中，后体3与过渡体4通过圆弧过渡连接，过渡体4与尾部5通过圆弧过渡连接。
在本实施例中，配平翼6为平板状。
在本实施例中，后体3上靠近头部的一侧开设有滑槽，配平翼6滑动设置于滑槽内。
具体的，配平翼6收缩状态时配平翼嵌设在滑槽内，由火星着陆巡视器的作动机构能够驱动配平翼6从滑槽内伸出使用。
在本实施例中，配平翼6的外端为圆弧状，配平翼6的外端的圆弧半径与配平翼6所处平面内的后体3的半径相配合。
具体的，配平翼6伸出前其外端完全与后体3舱壁表面相契合，对火星着陆巡视器的设计外形影响小，更为可靠。
综上，本发明提供的火星着陆巡视器的气动布局结构的设计方法为：
根据总体尺寸和升阻比要求，生成该火星着陆巡视器的舱体1外形；舱体1外形为球锥前体加三锥后体，如图3所示。舱体1的头部2为球锥形状，通过倒圆过渡为锥面形状的后体3，尾部5同样为锥状，后体3与尾部5之间通过锥面的过渡体4连接；舱体1的最大截面直径是决定该火星着陆巡视器尺寸的主要参数，根据总体需求确定；头部2的半锥角和后体3的倒锥角是影响该火星着陆巡视器升阻比的主要几何参数。
在舱体1后部的后体3迎风面上生成一个配平翼6，配平翼6按照内嵌式保型设计，其展开前状态完全与后体3舱壁表面相契合，配平翼6的尺寸、形状以及安装位置也可根据实际需要作适当调整；在本实施例中，根据总体需求最终确定的配平翼6尺寸参数为：配平翼6展开后的伸出长度为520mm，配平翼6外端的宽度为370mm，配平翼6内端的宽度为426mm。
图7至图9给出了Ma＝1.2～3时火星着陆巡视器三种外形在α＝0°～-180°攻角范围内质心俯仰力矩系数CMzg随攻角的变化曲线，可以看到无配平翼6外形与配平翼6收拢状态的质心俯仰力矩曲线几乎完全重合，而配平翼6展开状态与这两个外形之间则存在显著差别。通过上述曲线可以得到这三种外形的火星着陆巡视器的配平攻角αT，具体数值在表1中给出。由表1中数据可以看出，在三个计算马赫数下，无配平翼6外形与配平翼6收拢状态的配平攻角都非常接近，在-7°～-8°左右；展开配平翼6则可以将三个马赫数下火星着陆巡视器的配平攻角都调整到接近于0°。这一结果表明本发明提供的配平翼6外形能够很好地满足开伞前将火星着陆巡视器的配平攻角回复到0°的设计目标。
表1相同马赫数不同外形配平攻角比较(Ma＝1.2～3)。
Figure BDA0002865938050000081
图10中给出了Ma＝0.3～1.05时配平翼6展开状态在α＝-20°～20°攻角范围内质心俯仰力矩系数随攻角的变化曲线，从图中可以看出不同马赫数下质心俯仰力矩系数CMzg随攻角变化幅度均不大。
表2中为各马赫数下配平翼6展开时着陆巡视器的配平攻角比较，由表2中数据可以看到，Ma＝1.05时着陆巡视器的配平攻角仅为0.48°；随着马赫数的降低，配平攻角会逐渐增加，但增加幅度并不大，Ma＝0.3时最大也不超过1.5°。
表2配平翼展开亚跨声速不同马赫数配平攻角比较(Ma＝0.3～1.05)。
Figure BDA0002865938050000082
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种火星着陆巡视器的气动布局结构，其特征在于，包括：
舱体，所述舱体为回转体结构，所述舱体包括由下至上依次设置的头部、后体、过渡体和尾部；
所述舱体的质心设置在所述回转体结构的轴线的一侧；
配平翼，可伸缩地嵌设在所述后体内，所述配平翼设置在所述回转体结构的轴线的另一侧，所述配平翼伸出时能够使得所述火星着陆巡视器的攻角变为0°；
舱体的质心偏置，无需展开配平翼即可实现巡视器的有攻角进入，在开伞前再将配平翼伸出，使巡视器的攻角回复到0°，保证开伞安全，使得配平翼的使用时间大大缩短，降低对配平翼的动作机构和防热系统的要求。
2.根据权利要求1所述的火星着陆巡视器的气动布局结构，其特征在于，所述头部为下端小上端大的圆锥状，所述头部的下端为球状。
3.根据权利要求1所述的火星着陆巡视器的气动布局结构，其特征在于，所述后体为下端大上端小的圆锥状。
4.根据权利要求3所述的火星着陆巡视器的气动布局结构，其特征在于，所述后体的下端外周与所述头部的上端外周圆弧过渡连接。
5.根据权利要求3所述的火星着陆巡视器的气动布局结构，其特征在于，所述过渡体为下端大上端小的圆锥状，所述过渡体的锥度大于所述后体的锥度。
6.根据权利要求5所述的火星着陆巡视器的气动布局结构，其特征在于，所述尾部为下端大上端小的圆锥状，所述尾部的上端为平面，所述尾部的锥度小于所述过渡体的锥度。
7.根据权利要求6所述的火星着陆巡视器的气动布局结构，其特征在于，所述后体与所述过渡体通过圆弧过渡连接，所述过渡体与所述尾部通过圆弧过渡连接。
8.根据权利要求1所述的火星着陆巡视器的气动布局结构，其特征在于，所述配平翼为平板状。
9.根据权利要求1所述的火星着陆巡视器的气动布局结构，其特征在于，所述后体上靠近所述头部的一侧开设有滑槽，所述配平翼滑动设置于所述滑槽内。
10.根据权利要求1所述的火星着陆巡视器的气动布局结构，其特征在于，所述配平翼的外端为圆弧状，所述配平翼的外端的圆弧半径与所述配平翼所处平面内的后体的半径相配合。
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