張 鵬，趙 鑠，蘇 南，桂蜀旺，侯向陽,

（1.中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京100094；2.南京航空航天大學(xué) 飛行器先進設(shè)計技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，南京210016）

0 引言

近年來，新型可展開氣動減速技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢逐漸受到人們的青睞[1-3]。該技術(shù)根據(jù)防熱材料的柔性程度及展開驅(qū)動形式可分為柔性充氣式[4-7]、半剛性機械式[8-16]和剛性機械式[17-18]3種。

其中半剛性機械展開式氣動減速技術(shù)的氣動面是通過若干組連桿機構(gòu)支撐柔性防熱材料實現(xiàn)的[8]，在連桿機構(gòu)與柔性防熱材料連接處形成棱邊，使得整個氣動外形呈獨特的柔性棱臺狀[3]，區(qū)別于柔性充氣式的回轉(zhuǎn)體剛性外形和剛性機械式的棱臺式剛性外形。因此，開展棱臺式柔性外形氣動特征研究是進行半剛性機械展開式氣動減速技術(shù)實施的關(guān)鍵內(nèi)容之一。文獻[3]針對半剛性機械展開式氣動減速技術(shù)的棱臺式柔性外形，開展了氣動面流固耦合建模與分析，確定了柔性面變形特征，并利用修正后的CFD模型進行了考慮變形影響的氣動壓力、氣動剪力、熱流密度及總加熱量特征研究。

本文在文獻[3]的基礎(chǔ)上利用相同的計算方法、模型和條件（幾何參數(shù)、彈道參數(shù)均相同），對3種氣動外形（傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)體剛性外形、棱臺式剛性外形和棱臺式柔性外形）開展0°攻角狀態(tài)下的氣動力熱環(huán)境對比分析（其中關(guān)于棱臺式柔性外形的分析數(shù)據(jù)直接引用文獻[3]），比較3種可展開氣動減速技術(shù)的氣動特征，以期加深對棱臺式柔性外形氣動環(huán)境特征的認識，為半剛性機械展開式氣動減速技術(shù)的深入研究及工程化實施提供參考。

1 氣動熱環(huán)境特征比較

圖1為某時刻3種外形的氣動熱分布情況。圖中：L1為圓錐式回轉(zhuǎn)體外形某一特征曲線，L2、L3為棱臺式外形兩棱邊之間中部區(qū)域特征曲線，L4、L5為棱臺式外形棱邊區(qū)域特征曲線，下文氣動壓力、氣動剪力分布圖中的特征曲線標注同此。

圖1 某時刻不同外形氣動熱流密度分布及特征曲線比較Fig.1 Heat flux characteristicsof different aeroshellsat a certain time

對比分析發(fā)現(xiàn)：3種外形的高熱流密度區(qū)域均出現(xiàn)在迎風(fēng)面中部，棱臺式外形的高熱流密度區(qū)域范圍明顯小于傳統(tǒng)圓錐式回轉(zhuǎn)體外形的，且不考慮壁面變形影響的棱臺式剛性外形駐點處熱流密度峰值最大；隨著徑向距離的增加，3種外形的熱流密度均逐步減小，且在剛性防熱頭錐處減小幅度較大、在柔性氣動面處減小幅度相對平緩，而在過肩部處由于氣動面外形曲率半徑減小，受湍流邊界層作用，熱流密度又小幅上升；傳統(tǒng)圓錐式回轉(zhuǎn)體外形的周向熱流密度相對均勻，棱臺式外形的周向熱流密度在棱邊處較集中，且這種集中現(xiàn)象對于考慮壁面變形影響的棱臺式柔性外形更為明顯。這是因為柔性面發(fā)生變形后，棱邊相對柔性面呈明顯“凸起”，從而導(dǎo)致局部熱流密度過大。

進一步比較發(fā)現(xiàn)：對于兩棱邊之間的區(qū)域，不考慮壁面變形影響的棱臺式剛性外形熱流密度最大（如圖1中L2所示），考慮壁面變形影響的棱臺式柔性外形熱流密度最?。ㄈ鐖D1中L3所示）；對于棱邊區(qū)域，仍然是不考慮壁面變形影響的棱臺式剛性外形熱流密度最大（如圖1中L4所示），考慮壁面變形影響的棱臺式柔性外形熱流密度次之（如圖1中L5所示），傳統(tǒng)圓錐式回轉(zhuǎn)體外形熱流密度最小。

由此可知，對于柔性氣動面小變形狀態(tài)，不考慮壁面變形影響的棱臺式剛性外形氣動熱特征能夠包絡(luò)考慮壁面變形的氣動熱特征。因此，對于半剛性機械展開式氣動減速技術(shù)工程設(shè)計，可采用不考慮壁面變形影響的棱臺式剛性外形分析得到的氣動熱特征作為熱防護材料研制的輸入條件。

2 氣動壓力特征比較

圖2為某時刻3種外形氣動壓力分布情況。

圖2 某時刻不同外形氣動壓力分布及特征曲線比較Fig.2 Aerodynam ic pressure distributions for different aeroshells at a certain time

對比分析發(fā)現(xiàn)：3種外形的高氣動壓力區(qū)域均出現(xiàn)在迎風(fēng)面中部，棱臺式外形的高氣動壓力區(qū)域范圍明顯小于傳統(tǒng)圓錐式回轉(zhuǎn)體外形的，3 種外形駐點處的氣動壓力峰值相當；傳統(tǒng)圓錐式回轉(zhuǎn)體外形的周向氣動壓力相對均勻，棱臺式外形的周向氣動壓力在棱邊處較集中，且這種集中現(xiàn)象對于考慮壁面變形影響的棱臺式柔性外形更為明顯；3種外形的徑向氣動壓力分布特征均表現(xiàn)為：隨著徑向距離增加整體減小，而在過肩部處又出現(xiàn)陡然上升的趨勢，且在剛性防熱頭錐處減小幅度較大、在柔性氣動面處減小幅度相對平緩。不同的是，考慮壁面變形影響的棱臺式柔性外形氣動壓力先在剛?cè)峤唤缣幐浇霈F(xiàn)明顯減小，然后隨著徑向距離增加，先增大后減小。

進一步比較發(fā)現(xiàn)：對于棱邊區(qū)域及棱邊之間區(qū)域，不考慮壁面變形影響的棱臺式剛性外形氣動壓力整體上大于考慮壁面變形影響的棱臺式柔性外形氣動壓力。由此可知，對于柔性氣動面小變形狀態(tài)，不考慮壁面變形影響的棱臺式剛性外形氣動壓力特征能夠包絡(luò)考慮壁面變形影響的氣動壓力特征。因此，對于半剛性機械展開式氣動減速技術(shù)工程設(shè)計，可采用不考慮壁面變形影響的棱臺式剛性外形分析得到的氣動壓力特征作為熱防護材料研制及結(jié)構(gòu)機構(gòu)承載設(shè)計的輸入條件。

3 氣動剪力特征比較

圖3為某時刻3種外形氣動剪力分布情況。

圖3 某時刻不同外形氣動剪力分布及特征曲線比較Fig.3 Aerodynamic shear distributions for different aeroshellsat a certain time

對比分析發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)圓錐式回轉(zhuǎn)體外形的周向氣動剪力變化梯度相對均勻，棱臺式外形的周向氣動剪力在棱邊處較集中，且這種集中現(xiàn)象對于考慮壁面變形影響的棱臺式柔性外形更為明顯；3種外形的徑向氣動剪力特征均表現(xiàn)為：在迎風(fēng)面中心區(qū)域先急劇增大，在過肩部處又陡然上升。不同的是，傳統(tǒng)圓錐式回轉(zhuǎn)體外形的徑向氣動剪力在急劇增大之后趨于平穩(wěn)；而棱臺式外形的徑向氣動剪力在棱邊區(qū)域急劇增大之后，隨著徑向距離的增加繼續(xù)增大，只是增速較緩；在兩棱邊之間中部區(qū)域，在剛?cè)峤唤缣幰院?，隨著徑向距離的增加逐漸減小并趨于平穩(wěn)。

進一步比較發(fā)現(xiàn)：對于棱邊區(qū)域及棱邊之間區(qū)域，不考慮壁面變形影響的棱臺式剛性外形氣動剪力大于考慮壁面變形影響的棱臺式柔性外形氣動剪力。由此可知，對于柔性氣動面小變形狀態(tài)，不考慮壁面變形影響的棱臺式剛性外形氣動剪力特征能夠包絡(luò)考慮壁面變形的氣動剪力特征。因此，對于半剛性機械展開式氣動減速技術(shù)工程設(shè)計，可采用不考慮壁面變形影響的棱臺式剛性外形分析得到的氣動剪力特征作為熱防護材料研制的輸入條件。

4 結(jié)論

本文通過對傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)體剛性外形、棱臺式剛性外形和棱臺式柔性外形氣動力熱環(huán)境對比分析，得出以下結(jié)論：

1）傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)體剛性外形的周向氣動力熱分布均勻，而棱臺式外形在棱邊處出現(xiàn)氣動力熱集中現(xiàn)象，且這種集中現(xiàn)象對于考慮壁面變形影響的棱臺式柔性外形更為明顯。

2）隨著徑向距離增加，3種外形的熱流密度均逐步減小，而在過肩部處又陡然小幅上升。

3）棱臺式剛性外形（不考慮壁面變形影響）與傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)體剛性外形的氣動壓力分布規(guī)律一致，均為隨著徑向距離增加整體減小，而在過肩部處又陡然上升；棱臺式柔性外形（考慮壁面變形影響）的氣動壓力分布規(guī)律則是先在剛?cè)峤唤缣幐浇霈F(xiàn)明顯減小，然后隨著徑向距離增加，先增大后減小。

4）棱臺式剛性外形（不考慮壁面變形影響）與棱臺式柔性外形（考慮壁面變形影響）的氣動剪力分布規(guī)律一致，均是棱邊區(qū)域的氣動剪力隨著徑向距離的增加而增大，兩棱邊之間區(qū)域的氣動剪力在剛?cè)峤唤缣幰院螅S著徑向距離的增加而減小。

5）棱臺式剛性外形（不考慮壁面變形影響）的氣動力熱特征整體上可以包絡(luò)棱臺式柔性外形（考慮壁面變形影響）的氣動力熱特征，因此，對于半剛性機械展開式氣動減速技術(shù)工程設(shè)計，可采用不考慮壁面變形影響的棱臺式剛性外形分析數(shù)據(jù)作為其熱防護材料研制的輸入條件。