高微重力水平气球落舱方案的气动设计.pdfVIP

高微重力水平气球落舱方案的气动设计+ 王麟华 (中国科学院空间科学与应用研究中心) 朱一锟 (北京航空航天大学流体力学研究所) 摘要 本文就一种微重力水平高达10119，可持续工作达40秒的新型的气球落舱方 案的气动设计原理进行了研究，结合方案实例对落舱的气动外形进行了优选 ．并对其气动特性作了计算和分析。 关键词 微重力气球落舱气动外形气动持性试验平台 1．引言 近年来在对德国的气球落舱’MIKROBA”与意大利新近提出的‘GIZER0(微重力水平达1 01‘g) 研究的基础上开展了一种新型的具有高质量微重力条件的气球落舱的方案设计研究，该种气球 落舱的研制将为某些礅重力科学的国际前沿性的基础研究提供一种极为理想的微重力实验设 施。它模拟的微重力水平优于10-Sg一10。19，微重力实验时间达40—50秒，外力干扰小于10。2G／ √№，因此几乎无剩余重力加速度的波动。本文对落舱的气动外形设计、气动特性及真空舱内 的试验平台相对于舱的运动特征进行了计算与分析。 2．高空气球落舱工作原理 高空气球落舱系统是～种简便可行的微重力环境模拟实验装置。利用高空气球将落舱携带 到气球升限附近(一般在42公里左右)，然后将落舱与高空气球吊篮切割分离、释放后而自由 下落。由于高空空气十分稀薄，空气密度P与落舱自由下落初期的速度均很小，因而，落舱下落 飞行初期所产生的空气阻力也很小。记落舱下落飞行中产生的空气阻力D所产生的负加速度为 口，，(气球落舱内部的视在重力加速度、或微重力水平Pg)有 n／ ，、 Pg=一口，2予，Ⅲ tl， 式中，m为落舱的质量，单位为公斤。 落舱下落飞行中所产生的空气阻力可表示为 D=qSC。 (2) 而 2 g=蟛pV2=么pMa (3) 式中． q为落舱下落飞行中的动压力，S为落舱外形的参考面积．而C。称为落舱的空气阻力 系数。矿为落舱下落飞行的速度．P为空气的静压力，lla=v／C(其中C为空气中的音速)为落舱 下落飞行中的飞行马赫数． r为空气的比熟比，一般等于1．4。 由空气动力学知，落舱的空气阻力系数C。的大小，取决于落舱的外形几何参数和迎角口， 以及下落飞行马赫数Ma和下落飞行雷诺数Re=pVL／U(其中，且为空气的粘性系数。L为落 舱的特征参考长度)等的大小．对于一定外形的落舱。显然它的阻力系数C。将只是迎角a、马 赫数Ma和雷诺数Rc的函数，有 Co=CD(口，Ma，ReJ (4) }田家自然科学基金瓷助项日 随着落舱与自由下落飞行时间t的增加，下落速度y迅速增大：下落使飞行高度厅迅速降 低，促使空气密度P迅速增大。由式(3)一(¨可知，将导致落舱的空气阻力D迅速增加，使落 舱内部的微重力水平迅速减小：随着马赫数Ma的增加(因下落速度y的增大)，特别是当马赫 数Ma超过落舱的临界马赫数之后，落舱的阻力系数C。将会迅速上升。如分离时的释放高度 在42公里左右，在具有良好气动外形的落舱中，可获得的徽重力水平在1旷L】O-Zg范围内， 可持续工作的时间达30秒(其中优于10。39的微重力水平只能维持10秒左右)。 如果在落舱下落的过程中，采用阻力补偿推进技术(附加减阻措施)，即在落舱尾段的底部 加装喷管，用向上喷出的气流来产生推力只，以抵消部分或全部空气阻力D，则可提高落舱内 部的微重力水平和增长可持续工作的时间。最理想情况是使落舱的有效阻力D—只_+0，那么， 落舱内部则完全处于失重状态，^留--0。然而，由于推力调节精度不高等原因，实践表明， 采用这种减阻技术仅可将落舱内部的微重力水平提高一个量级，达到10。左右。 为进一步大幅度提高落舱内部的徽重力水