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再入范圍

 殘月照亮夜 2019-06-23

再入范圍

再入范圍是指航天器再入大氣層返回地面時距離的大小。航天器再入大氣層返回地面的方式可分為彈道式、半彈道式、升力式、跳躍式和橢圓衰減式等。各種返回方式對應的再入范圍也不一樣。

中文名再入范圍

外文名Reentry range

領    域航空航天

對    象航天器

方    式彈道式、半彈道式、升力式等

意    義控制航天器返回地面

    彈道式再入

    彈道式航天器進入大氣層后,運動產(chǎn)生阻力,不產(chǎn)生升力,或雖有升力但不控制升力的大小和方向(又稱無控再入)。彈道式再入的主要特點是:最大減速度主要由再入角、再入速度和大氣特征所決定,幾乎與彈道系數(shù)無關(guān)。彈道式再入一般應用于采用旋成體外形、大頭朝前的返回器,這種返回器的壓力中心位于質(zhì)心之后,且在返回器的縱軸上。在再入地球稠密大氣層的過程中,彈道式再入的返回器通過控制返回器繞縱軸(滾動軸)慢速旋轉(zhuǎn),來減小擾動力對返回器著陸點散布的影響;同時也對偏航軸和俯仰軸進行角速率阻尼,使返回器以接近零迎角、零升力狀態(tài)在稠密大氣層內(nèi)運動。
    彈道式再入控制比較簡單,較易實現(xiàn),也是最早實現(xiàn)的一種返回方式。但在再入過程中空氣動力引起的過載峰值高,落點精度也較差。例如,返回式衛(wèi)星允許其再入 過程峰值約為20g,著陸點散布范圍可達幾十到上百千米。中國的第一代返回式衛(wèi)星、美國和蘇聯(lián)的第一代載人飛船(美國的“水星”、蘇聯(lián)的“東方”)都采用 彈道式再入方式。

    當神舟號飛船出現(xiàn)下列緊急情況之一時,采用彈道式再入返回地面:(1)在拋逃逸塔之后至拋整流罩之前的發(fā)射段,運載火箭出現(xiàn)致命性故障,導致當圈返回;(2)在軌道運行段,飛船出現(xiàn)應急情況,導致航天員啟動自主應急返回程序;(3)在軌道運行段,發(fā)現(xiàn)飛船的加速度計至少有兩個出現(xiàn)故障,導致不能采用半彈道式再入控制情況;(4)當在軌道運行段終點事件(軌道艙與返回艙分離)之前,飛船出現(xiàn)應急故障,導致必須采用航天員手控半自動返回模式返回。
    神舟號飛船彈道式再入段飛行程序是:返回艙與推進艙分離,返回艙調(diào)至配平攻角狀態(tài),返回艙繞控制軸(與縱軸成夾角為20度的軸)起旋,起旋角速度為每秒12.5度,下降至20千米高度時返回艙消旋。

    半彈道式再入

    又稱彈道升力式再入。升阻比不大于0.5的返回器在再入地球稠密大氣層時通過滾動控制調(diào)整升力方向的再入方式。半彈道式再入一般應用于采用旋成體外形大頭朝前的返回器,這種返回器的質(zhì)心沿速度方向在壓力中心之前,但偏離縱軸一個小的距離。在再入地球稠密大氣層過程中,在某一個迎角下,作用在返回器上的氣動力矩為零,該迎角稱為配平迎角。在以配平迎角飛行時,作用在返回器上的氣動力既有阻力又有升力。在再入過程中,通過三軸角速率阻尼控制返回器的姿態(tài),通過轉(zhuǎn)動返回器改變升力的垂直分量和水平分量,從而能在一定范圍內(nèi)控制再入軌道,調(diào)整著陸點位置。

    與彈道式再入相比,半彈道式再入走廊較寬,減速時間較長,因而承受的過載減小,而且還可以通過控制升力方向、航向和側(cè)向都可以做適當?shù)能壍罊C動,以提高落點精度。
    美國的“雙子星座號”飛船和“阿波羅”飛船、俄羅斯的“聯(lián)盟號”飛船以及中國的“神舟號”飛船的返回艙都采用半彈道式再入方式。“聯(lián)盟號”飛船返回艙的配平迎角約為20度,配平迎角下的升阻比不大于0.3,可將著陸點偏差控制在30千米之內(nèi)。

    “神舟號”飛船的返回艙是一頭大、一頭小的鐘形外形,返回艙返回地面時是采取大頭朝前飛的姿態(tài)。返回艙在再入大氣層的過程中,作用在返回艙上的空氣對返回艙產(chǎn)生壓力,這些壓力可以合成一個對返回艙任何一點的一個力和一個力矩。但是在返回艙上有這樣一個點,對該點求合力時只有力而沒有力矩,這個點就叫氣動力中心。為了使飛船返回艙能產(chǎn)生一定的升力,設計人員對返回艙的結(jié)構(gòu)和儀器設備的安裝部位作了精心設計,并采用增加一定配重塊的方式,使得返回艙的質(zhì)心不在返回艙的縱軸上,而是與縱軸偏離一個距離d,同時將質(zhì)心配置在返回艙氣動力中心之前的一定位置。設返回艙的飛行速度為V,V與返回艙縱軸的夾角稱作迎角。如果在某一迎角下產(chǎn)生的空氣動力R正好在質(zhì)心與氣動力中心連線的延長線方向,那么作用在返回艙上的氣動力矩M=0,該迎角稱為配平迎角。在此迎角下,理論上不需要有作用在返回艙上的其他力矩,飛船就可以飛行狀態(tài)不變。空氣動力R可以分解為沿速度V反方向的阻力D和垂直于V方向的升力L。如能控制返回艙繞速度矢量V旋轉(zhuǎn),則可以控制作用在返回艙上的升力的水平分量和垂直分量的大小和方向,這樣就可以控制返回艙的再入軌道,使返回艙的再入過載峰值不大于4g,并控制返回艙下降至20千米左右高度的??攸c的地理位置。

    升力式再入

    又稱滑翔式再入。升阻比≥0.7的返回器在再入地球稠密大氣層時產(chǎn)生升力并可控制升力大小和方向的再入。提高升阻比可以減小制動過載,降低熱流峰值,增大再入角范圍,加寬再入走廊,有利于再入過程。升力式再入應用于不帶翼面的升力體和帶翼面的升力體式返回器,前者是將返回器作成非軸對稱外形,使其產(chǎn)生較大的升力,升阻比可達0.7~1.2;后者是將返回器做成有翼外形,升阻比可達1.3~3.0,從而實現(xiàn)水平著陸,如美國的航天飛機和X-37B。

    有翼升力體式返回器技術(shù)復雜,成本昂貴,但具有以下優(yōu)點:(1)再入過載小。從環(huán)地軌道再入的典型有翼升力體式返回器的再入過載峰值只有2~2.5g,這就為航天員創(chuàng)造了更為良好的環(huán)境。(2)機動范圍大。由于有翼升力體式返回器比半彈道式返回器有更大的升阻比和有更長的在稠密大氣層內(nèi)運動的時間,因此它具有更大的機動范圍。典型的有翼升力體式返回器的機動范圍可達1000多千米至數(shù)千千米。(3)著陸精度高。有翼升力體式返回器可以相當精確地控制再入段軌道和著陸段軌道,實現(xiàn)在跑道上水平著陸,從而為返回器的重復使用創(chuàng)造了條件。

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