欧洲的调查和主要ISC设施支持火星和样本返回任务气动热力学和热保护系统所需测试和动态稳定

文摘

在未来的框架示例返回火星任务,小行星、彗星,欧洲太空总署的调查,评估实际的空气动力学和气动热力学能力在欧洲火星地球进入大型车辆和高速再入样品返回舱已进行。此外,在加拿大和澳大利亚能力评估的动态稳定性,以及超音速流动中可用ISC的主要设施,已经包括在内。本文概述了欧洲当前功能热保护系统的气动热力学和测试。这个评估使得识别需要的新设备或升级现有的地面实验测试覆盖火星条目和地球高速再入空气动力学,气动热力学和热保护系统测试。

1。介绍

未来的一些任务,欧洲太空总署的研究框架的探索1)和科学规划,关注样本返回火星任务,小行星和彗星。这些任务的主要挑战是火星进入大型车辆,地球高速再入返回胶囊,钝体的动态稳定性在入口和后裔。

几个问题有关火星的大型车辆。火星和地球大气层的名义成分保留表中列出的研究1。首先,由于火星大气主要是由二氧化碳、设施必须能够繁殖的气体和飞行条件下典型的火星,热通量和压力。然后,地面测试必须能够发生在进入模拟湍流流场条件,诱导车辆,基于可能出现的步骤,和强耦合热盾消融。特殊点的样本返回登陆火星是火星上升。涉及这方面的任务,利用地面测试设备有生殖能力的火星上升轨迹的条件下,发动机点火和火星的初始条件是必需的。

地球高速再入,就像那些由NASA《创世纪》(2和星尘3,4)任务和一个由NASDA隼鸟号(5),特点是高热量通量[6)如图1对不同输入轨迹E4 (E1)对应于不同的初始入口条件的飞行路线角和速度。

另一点有关条目的太空探测器是地面繁殖的功能流条件雷诺数的函数,以及功能来模拟流动现象如离解和电离作用。与非平衡热化学、化学动力学也是一个问题,特别是对于地球高速再入。总而言之,以下过程非常重要。(我)模拟的湍流热可压缩气体。(2)在辐射环境中再入流动的模拟。(3)热化学动力学。(iv)烧蚀和电离作用。(vi)模拟粉尘流性质的影响。

火星和地球的条目的一个共同点是胶囊的稳定性必须确保高超音速,超音速,亚音速政权。火星条目,必须保持动态稳定在降落伞部署之前,地球返回胶囊;由于胶囊大小,使用降落伞将一个点球的质量也许预算和可靠性。结果,实验设施允许调查稳定,尤其是已经包含在本文的动态稳定。

各个研究之前的评估可用性和充分性的地面测试设备和电器仪表模拟地球轨道条目,据我们所知没有详尽的研究在同一话题的行星或样本返回任务,在系统回顾的充足率火星上升/下降和地球高速入口。在过去,IABG [7]表现回顾TPS资格和热机的测试,但从本质上说,本文侧重于机械测试和不包括在空气动力方面的细节,特别是超轨道条目。此外,调查了并非完全因为大公司拒绝提供信息。那里(8)专用的努力专注于空气热力学是一个很好的和完整的评审,但没有提供精确的数据可以实现大部分的设备的性能。此外,本文基本上集中在亚轨道条目。卢和Marren [9]聚集一批论文的一些主要设备说明他们的一些操作方面,但不允许建立样本返回任务准备和充分性。

这里,本文主要关注欧洲的主要实验能力10]。的主要设施可用ISC(独立国家共同体)和澳大利亚(因为澳大利亚科学家参与ESA研究项目),以及弹道范围在澳大利亚和加拿大(因为加拿大是一个ESA相关成员国)动态稳定性的评估也已经注册。从输入聚集在文学,不同的网站,在一个专用的设施在馆内进行研讨会于2008年3月28日,这些不同的实验者提供的团队,不同的地面测试的主要特征。的不同方面保留了论文的分析与实际功能和附加功能的潜在需求,以确保成功的样本返回任务报告以后。

2。火星进入

火星大气主要是由二氧化碳组成的热力学性质不同于氧和氮。从实验的角度来看,火星进入的主要挑战是有限的存在₂的气氛。大部分的现有设施在欧洲已经在空气氛围,为测试开发及其适应有限公司₂却并非易事。事实上,通常的性能信封是不同的,大部分的中程焓的公司被认为是(11]。结果,测试设备必须有生殖能力的操作与二氧化碳和飞行条件下典型的火星进入和提升。调查的主要特性实验火星条目下面列出。

(我)现有设施的功能操作与火星大气条件(95%的股份有限公司₂)和覆盖火星进入轨道的热通量和压力。(2)模拟完全湍流流动的高焓火星进入设施的大型车辆。(3)与公司现有设施的功能操作₂流hydroerosion和热通量评估存在的粒子。(iv)火星大气的可用的测量技术。

帧的火星总理计划(12)和最近的ESA TRP (13)(技术和研究项目)有限公司₂,测试活动已经在那里,EADS国税局,初期,DLR [14),VKI有限公司₂环境。早期的研究也在IUSTI,科里亚,IPM, DLR (HEG)和舞会。结果显示功能的气动热力学设施运营火星大气。然而,测试凸显了一些问题。例如,在arc-driven设施,使用气体不同于空气电弧室有很强的影响,尤其是对弧性能明显降低:为公司至少30%₂当比较反对空气。内的二氧化碳分子开始分离弧室喷嘴流上的一些后果。

ESA TRP活动的目的是为了调查高焓的热化学有限公司₂流,以提高现有的分析和数值工程未来的勘探任务的功能。这些实验的设施保留从一个团队那里高焓风洞F4, VKI等离子管和Minitorch设施,和DLR L2K arc-heated设施。的三个设施已经被一个团队在这项研究中使用互补几乎理想的情况下,因为他们涵盖了广泛的热化学机制:(我)等离子管的流场和Minitorch是亚音速,它预计将接近热化学平衡;(2)F4是一个火爆的设施,提供了一个超音速非平衡流;(3)DLR L2K设施与环境化学几乎冻结在低温水平(< 1000 K)在自由流和高温(5500 K)背后的弓形激波。

虽然对方保留,设施的混合激波管通过小arc-heated设施大型工业设施:(我)在初期VUT-1激波管(用于90年代中期研究有限公司₂化学在TRP);(2)PWK ISR等离子体风洞;(3)SIMOUN工业电弧加热器用于火星TPS在ASTRIUM-ST资格。

另一个点的潜力是湍流的火星进入大型车辆(和/或由TPS消融),对湍流的存在可以强烈增加热通量,大约60%如果表面是光滑的(15]。

最后一个问题是在再入尘粒的潜在的存在。他们的存在是由于巨大的风暴,火星大气的动态特征。即使在安静的季节(更少的风暴),一场风暴的概率是没有空和当地的人可以发展在全球风暴在几天之内。颗粒的存在会增加TPS衰退和过热16,17]的基础材料。

辐射在火星条目存在,但这一现象起到二阶的作用。这仍然是一个问题,但不是一个TPS的分级现象,至少在轨道或科学双曲条目;它可能需要重新评估短期flight-manned任务。

2.1。设施调查

在欧洲,使用以下设施有限公司₂。(我)热量高焓电弧喷射在阿尔塔(Pisa)。(2)再入箱的材料试验弧(Seibersdorf在奥地利)。(3)在ASTRIUM-ST SIMOUN主要用于TPS资格(阿基坦);(iv)电弧喷射、电感耦合等离子体火炬和低功耗射频等离子体炬在与空气化学相关科里亚(鲁昂)。(v)HEG震惊隧道和LBK arc-heated设施DLR(科隆和哥廷根)气动热力学和TPS的资格。(vi)HHK Ludwieg激波管HEG(哥廷根)。(七)为空气化学PHEDRA电弧喷射ICARE(新奥尔良)。(八)PWK设施国税局(斯图加特)材料和等离子体特性和基于测试。(第九)激波管在ISL动态稳定和气动热力学(路易)。(x)克莱蒙费朗ICP等离子体炬LAEPT()辐射。(十一)在那里F4火爆的电弧喷射(Le Fauga图卢兹附近)气动热力学。(十二)MESOX在舞会(在法国比利牛斯山脉Odeillo)材料表征、催化和辐射。(十三)TH2冲击隧道RWTH(亚琛)气动热力学。(十四)HSST高超音速风洞,ST-DC激波管和HST2冲击隧道在曼彻斯特理工(曼彻斯特)气动热力学。(十五)spe电弧加热在UNINA(那不勒斯)aeroheating和烧蚀测试。(十六)Longshot-driven活塞气动热力学和等离子管材料测试VKI(布鲁塞尔)。

这个列表,TCM2激波管从IUSTI马赛,现在也将考虑关闭审查,因为它提供了大量的数据对欧洲项目如惠更斯和在化学动力学研究的关键设备,因为它产生了很大一部分的欧洲行星进入这一领域的相关数据(18]。枪隧道牛津大学也被关闭。此工具用于航程之前加热研究。

根据前面的列表,相当多的欧洲设备兼容了类似火星大气层。然而,回顾他们的能力并不容易因为性能信封的大部分设施尚未提供。这些设施的功能和主要特点是列在表中2和3。

ISC,可以操作以下设施有限公司₂或类似火星大气层。(我)等离子体霍尔发生器在HMTI(明斯克)。(2)IPG-4等离子管在IPM(莫斯科)。(3)风洞AT303和火爆的风洞它- 302 m ITAM(新西伯利亚)。(iv)激波管VUT-1在初期(莫斯科)用于化学动力学研究。(v)火爆的广告词——真空风洞VAT-3,冲击隧道UT-1M TSAGI(茹)。(vi)活塞气体动态单位U-11和U-7 U-1T激波管和高频等离子管U-13 TSIINMASH(科洛夫)。

HTMI TPS可用于验证和IPG-4已经被用于催化和烧蚀测试。火爆的风洞理工- 303和- 302 m可用于气动热力学(空气动力学和热通量分布在再入车辆)。火星的激波管VUT-1似乎适合应用程序,和化学动力学和辐射研究很有吸引力。TSAGI,广告词和VAT-3 UT-1M大多用于一般气动热力学。在UT-1M粒子可以被注入。在TSIINMASH U-11,得以和U-1T用于气动热力学和U-13 TPS测试。

在审查期间,设备运行的结果与有限公司₂被发现在加拿大。昆士兰大学的扩张管(19,20.]已经运行等火星大气的帧ESA TRP研究;因此,对这些设施可用的一些元素,尤其是测量技术的发展,已经占了。

2.2。气动热力学

再入条件的实验模拟的准确性很大程度上取决于确定流条件的能力。高超音速部队可以获得具有良好的精度和稳定性数据(21)的基础上,雷诺或马赫数或其他合适的相似参数。但是,这并不是为其他一些空气动力学特征:正确的离解和电离需要模拟实际飞行条件下的重复;热通量很大程度上取决于流焓和密度;基准压力强烈依赖于真实气体效应(21]。最小的一组参数期间必须重复测试气体的比焓,滞止压力,热通量和雷诺数。

一些特点几个欧洲设施可供气动热力学中列出表2。大部分的设施、数据只提供空气和没有性能信封用于有限公司₂(即使他们已经运营有限公司₂)。

第一次测试在欧洲有限公司₂进行帧的第一空气化学TRP [22]HEG维京式弹体前部,在初期和IUSTI动力学冲击管,科里亚和IPM catalycity(从1991年到1996年)的材料。之后,F4研究的框架进行火星总理计划(12]。活动已经执行的火星,看来电弧喷射设施(如LBK SIMOUN, F4)失去很多效率F4(约30%)。然而,从火星总理的框架中所进行的工作和ESA项目很明显,仍有一些利润率提高艺术的状态与现有设施。进展尤其需要改善的知识流条件运行时设备有限公司₂。提供的输入在审查期间,可以得出结论,火星进入轨迹是部分覆盖23在欧洲)与现有的地面测试。条目的覆盖轨迹取决于初始入口速度等条件;这对高速度降低由于电弧喷射的功率损耗测试室在使用有限公司₂混合物。

几个ISC设施(见列表在前一节中)可以与公司操作₂。来自TSAGI ITAM, TSIINMASH火星相关条目,因为大多数人已经参加这样的条件在开阔的框架(24)的研究。这里还有,性能信封有限公司₂目前还不清楚。

目前还不清楚如果欧洲设施是否能覆盖整个火星进入轨迹信息;然而,电弧喷射设备通常过低压力已经对地球的亚轨道再入。结论火星条目可能不是很乐观,因为权力的巨大的损失在使用有限公司₂。因为现有的地面测试的潜力尚未耗尽,它似乎并不优先开发设施专用火星条目。此外,潜在的差距可以由使用ISC设施或利用现有的设施(如热风)有限公司₂流。最后一个观点是,我们应该记住,美国宇航局开发成功的海盗任务年代没有设施运行有限公司₂。

2.2.1。测量技术

平行于材料测试、诊断方法、不干扰侵入探测,光学诊断必须合格,申请详细调查高焓等离子体流和在测试材料的行为。在欧洲以下可用的测量技术。(我)静电探针测定电子的性质。(2)温度和等离子体质谱仪描述等离子体流(成分)。(3)辐射探测器(IRS)广泛使用。(iv)法布里-珀罗干涉光谱。(v)发射光谱测量的温度和浓度配置文件(25,26]。(vi)全息干涉法、调查方法密度场(27]。(七)激光技术(激光诱导荧光和激光吸收)辐射测量(28]。

高专业知识多元化的流动参数的测量技术和更多的辐射特别调查可在国税局(23]。在先前的研究,不同的探测器已经发展来衡量这些流动参数。此外,静电探针测定中使用的电子属性和质谱仪可以定位为探针在等离子体流。除了侵入性的诊断方法,光学测量技术也应用。整个等离子体辐射的检测,具有重要影响的热通量高速入口任务像伽利略、惠更斯在国税局可以使用辐射探测器。法布里-珀罗干涉测量(用于光谱),发射光谱学、激光技术,如激光荧光和激光的吸收也可以(23]。这些光学技术,结合国家选择性信息辐射所有州和基态。

,那里有广泛发展国防后勤局(二极管激光吸收光谱)技术(29日)有限公司₂流。在现有国防后勤局光谱仪中,F4之一似乎是不可或缺的,因为它有两个二极管的特殊性:一个为有限公司,另一个用于有限公司₂。现在,一些欧洲的设施,如表所示2,配备了这种技术30.,31日]。

通过TRP活动,缓慢的进展已经确定温度、浓度、速度,不干扰和自由流流的气体组分,使用激光光谱技术。激光诱导荧光(生活)测量进行不,CO和O粒子,和国防后勤局被用来探测有限公司有限公司₂。此外,应用发射光谱。此外,冷壁热通量和冲击对峙距离以依赖的焓的水平。主要受到关注同时使用这些技术,以消除任何负面影响的可重复性设备流参数。所以,设施完善的理解和仪表:(我)L2K测量生活没有,O和有限公司和公司二极管激光吸收光谱;(2)VKI等离子管和Minitorch:高速成像的等离子体流,提高稳定性的理解,O双光子吸收激光诱导荧光(TALIF) [32];(3)国防后勤局可行性同时股份有限公司和有限公司₂测量在F4和SIMOUN。

在框架的活动中,测量一些物种的可行性(CO和有限公司₂由国防后勤局)密度SIMOUN电弧喷射也被证实,以及速度和温度的测量。这样做是由于ASTRIUM-ST那里拿来和富有成果的合作旨在桥之间的差距研究和工业设施上使用天外火星验证。

未来的活动,这将是有关延长不干扰技术的能力。测量原子氧的国防后勤局的应用将是一个宝贵的贡献。为改善艺术的状态在不干扰技术可以全息干涉法的发展。应用这些技术来测量在扩张管,最近在昆士兰大学(33似乎非常有前途。提高离子物种和电子密度的测量技术也会高利息提高电离的预测和停电估计在条目。

必须指出,在研讨会上讨论设施馆内进行举行2008年3月28日,不仅成本原因,也由于他们的专长,设施的研究机构,尤其是大学(如国税局、LAEPT ICARE,科里亚,和曼彻斯特理工)有一个强大的角色发展的新的实验和诊断方法。

2.2.2。化学动力学

激波管为研究化学动力学和热弛豫的吸引力。在火星的条目的角度来看,设备必须能够复制条目轨迹之间的入口速度4.0和7.5 km / s和工作有限公司₂环境。为了提高化学动力学的知识,有几种冲击管(和冲击隧道)在欧洲,其中我们可以引用。(我)HEG在德国哥廷根;(2)在亚琛工业TH2冲击隧道;(3)在HEG哥廷根HHK Ludwieg激波管;(iv)GDLich GDL;(v)在ISL STA和机顶盒;(vi)你布伦瑞克Ludwieg激波管。

大多数这些设施(主要是冲击隧道)正在致力于气动调查(力的测量和稳定性)。TCM2 IUSTI(马赛)是唯一的激波管用于执行实验化学动力学和热放松为行星条目。这是一个非常有吸引力的设备由于其功能火星和泰坦条目。该设备已在化学动力学有限公司有价值的贡献₂环境(35]。不幸的是,TCM2已经停止因为安全原因和操作团队的一部分已经离开了。有关化学动力学的调查,失去TCM2功能凸显了欧洲缺乏激波管的能力覆盖行星条目。冲击隧道TH2 (RWTH)和HEG (DLR)可以填补至少部分的差距,但这些设施更适合地球的亚轨道条目如图2的性能地图的相似参数(ρ_∞l)和速度比较地球轨道再入轨迹。

其他设施,STA和机顶盒ISL HHK HEG,和你布伦瑞克的Ludwieg管,主要是用于空气动力学和稳定性调查。激波管从曼彻斯特理工似乎并不合适,至少如果马赫数是,火星条目的要求。

如果火星条目被认为,这些冲击隧道(TH2和HEG)可能在压力过低代表自喷嘴的流扩展达到更高的马赫数。通常,重要的离解和电离水平可以在冲击出现在储层条件下实现隧道和结果(21]在自由流不同的能源和成分比所需的(冻结流)。由于这个问题,这些设施更适应Reynolds-Mach数量比化学动力学模拟。因此,开发这样一个设施应该设想火星条目。

目前,调查在大学实验室化学动力学可以执行:(我)为有限公司₂在科里亚离解(但非常低的压力);(2)在ICARE PHEDRA火星大气运行:测量人口激发态,电离,振动,和电子温度;(3)用ICP等离子体炬LAEPT;(iv)国税局对血浆分离和温度测量。

另一种可能性在化学动力学研究火星的条目是使用一个从ISC设施。可用的激波管和隧道、处理有限公司₂环境,如下:(我)从在茹TSAGI UT-1M激波管;(2)在莫斯科VUT-1从初期;(3)从TSNIIMASH U-12科洛夫。

VUT-1是最有吸引力的,因为它是用于化学动力学在两人致力于力测量和气动热力学。这种激波管可以研究非平衡态的动力学数据分离和重组过程和其他化学反应。是设计马赫数从5到25,允许调查范围广泛的实验条件。4和8公里/秒之间的速度可以达到在实验有限公司₂- n₂基于“增大化现实”技术的混合物。这个设施是ESA有限公司保留₂TRP研究[13)和使用发射光谱学提供了重要成果,吸收光谱,和微波干涉法研究化学动力学、热放松,和电子密度。这个设施看着现实的速度(焓)和压力,提供了第一个欧洲激波管中电子密度的测量。

2.2.3。辐射和电离

有几个欧洲设备可用于调查辐射和电离在火星条目。其中,以下可以引用。(我)为有限公司₂(和空气)离解科里亚(但在低压力)36]。(2)在ICARE PHEDRA火星大气可以运行,测量人口激发态,电离,可以进行振动,和电子温度。(3)国税局设施血浆分离、温度测量和辐射。(iv)ICP等离子体炬的LAEPT等离子体发射(37]。(v)MESOX在舞会主要用于催化调查,但这设施有一些潜在的辐射调查。

ISC,以下功能可用于调查辐射和电离在火星条目。(我)等离子大厅在HTMI加速器,是一个功能强大的工具为辐射调查。(2)VUT-1辐射和电离的初期。(3)电子和离子浓度的测量在TSAGI火爆的广告词。

使用可用的设施在欧洲,辐射的研究也为火星条目覆盖除了差距由于停止TCM2激波管。一些研究已经进行电离相关调查有限公司₂等离子体流动;然而,这可能是可行的使用的广告词热TSAGI开枪射击。

2.2.4。动荡

在这一点上,确实缺乏空气热力学能力在欧洲火星相关条目。从提供的输入在这评论,唯一的设备能够模拟湍流流动的有限公司₂环境是在VKI远射。这个设施还远未能够覆盖整个火星轨道,而湍流评估在火星条目是一个关键问题(38对隔热罩的设计)。ISC的激波管UT-M1 TSAGI能够模拟过渡和湍流流动。

如果一个大型汽车进入火星大气已经做好准备,在湍流流真的有差距。另一个问题是烧蚀TPS的存在,拥有强大的对湍流的影响由于吹热解气的条目。这一复杂性评估不能确定的动荡爆发时表面光滑的临界雷诺数。周密的能力和UT-M1都无法覆盖火星条目。为了填补这一空缺,一些修改现有的功能如F4, SIMOUN LBK,热风,应该探索。使用的平板模型SIMOUN可能绊倒在目前的配置和湍流,短,内表面效应的研究可能提供最好的潜力。

天外火星计划,测试正在进行在DLR TMK和H2K设施与光滑和粗糙的墙壁。尽管马赫数才刚刚高超音速,雷诺数足够高的自然过渡和roughness-induced绕过转型研究。然而,真正的高焓不能模拟高雷诺数流动在欧洲如上所述,这叶子,而大空间外推飞行条件从CFD验证研究。

2.2.5。尘粒

火星大气尘埃总是加载;装载的数量暂时改变。的概率取决于季节,当地沙尘暴能在几天内生长并成为全球风暴只有几周(很可能在夏天在南半球)。地球因此大部分或是全部笼罩在浓密的尘埃的裹尸布。因此,中纬度大气中粉尘的存在必须占水土流失和评估潜在的过热在火星探索任务。研究粉尘粒子的框架已经完成了火星VKI总理项目(39]和ESA TRP [40]。推断,在框架的ESA TRP项目(40的1毫米),导致经济衰退的一个晴朗的日子为最坏的情况下6毫米。

欧美ISC,下面的设施可以利用尘粒和有限公司₂氛围:(我)SIMOUN (ASTRIUM-ST);(2)L2K (DLR);(2)Minitorch (VKI);(iv)UT-1M (TSAGI)。

SIMOUN,由于最近的进展,特别适应火星再入模拟可以在公司工作₂环境与powder-seeded流模拟hydroerosion火星条目。已经完成了一些测试框架的天外火星驻点配置热通量高于1.3 MW / m²。测试也被执行在DLR L3K为此也明显升级。两种类型的粒子在流动注射:SiO₂和艾尔₂O₃。SiO的自由流速度₂粒子1987 m / s,而基地之一₂O₃是1903米/秒。减速取决于粒子类型和大小。LBK获得的结果显示10%的热通量减少驻点与颗粒流加载时(可能是由于更少的表面催化)。

关于ISC设施,火星含尘量效果进行的一个调查在开阔的框架17]。在这个项目中,固体颗粒的影响不同规模和不同成分在换热减弱身体的驻点进行了研究。第一次压缩气体层中的颗粒浓度的分布(在激波)实验研究了附近的身体表面。在这项研究中,来自TSAGI UT-1M设施用于Ludwieg政权(),作为测试气体与空气。

实验测量表明,粒子的速度不超过2000 m / s远是代表火星条目(超过3公里/秒)。粒子的等离子体流中播种,因此不能注射更高的速度。由于技术限制,很难超越这个速度(2000 m / s)。

2.3。TPS资格

对TPS资格材料的公司₂环境中,需要考虑的几个点。首先,地面测试复制火星入口条件下的热通量,焓和压力。这意味着设备必须达到热通量2 MW / m²对于大型车辆(38),这对于一个静态压力低于10 mbar(驻点压力~ 0.1条)。同样重要的是要看剪切,粗糙度,吹的材料以及考虑湍流的存在在条目,因为它可以大大增加热通量。此外,TPS的设计取决于飞行路线角以来的最大热通量所忍受的TPS取决于这个参数。因此,重要的是要考虑到流量分析在条目作为时间的函数。除此之外,设备必须提供的功能测试材料停滞条件和资格TPS组装和关节。

在欧洲现有的设施,TPS的可用于测试在一个有限公司₂环境(我)SIMOUN (ASTRIUM-ST);(2)LBK (DLR);(3)PWK (IRS);(iv)MESOX (PROMEX);(v)等离子管(VKI);(vi)spe (UNINA)。

一些欧洲的主要功能设施可用TPS测试有限公司₂环境归纳在表格3。SIMOUN行星条目需要适应钝头体,已经用于许多探测器的资格过程热盾,像OREX,航程之前,ARD,惠更斯。两种配置的设备可以运行:驻点和平板。对于一个公司₂热通量的环境,它可以达到1300千瓦/ m²对于一个驻点配置和700千瓦/ m²对于一个平板配置。此外,TPS测试也可以在dust-loaded流完成。已经取得一些结果与氧化铝颗粒。

DLR设施L3K能够模拟热流4兆瓦/ m²在空中高焓流(25 MJ /公斤),但扩展有限公司₂需要很大努力以安全为由(治疗)。在驻点配置,SIMOUN的性能从2.5减少到1.3 MW / m²从航空公司₂LBK,类似的行为可以预期,最大热通量,应该接近2 MW / m²与公司₂(250到650千瓦/ m²被用在公司₂和火星尘埃的TRP低功率L2K)。L3K可以运行两个配置:驻点和楔。SIMOUN一样,也可以注入粒子流动模拟TPS的尘埃物质的影响。

国税局PWK可以达到热通量描述火星条目;然而,这些设施在压力很低。VKI等离子管也是一个不错的选择,可以执行TPS验证可以达到相当高的热通量,压力拟合所需的条件。MESOX在舞会还可用于材料的验证以及从UNINA spe。

TPS测试的另一种可能性是使用的设施ISC社区。HMTI能够测试的等离子体加速器大厅耐热的材料和正在与有限公司₂,但没有可用信息有限公司的技术特点₂。烧蚀试验和催化的研究也可以执行在莫斯科IPM (41]。特征可用于IPG-4等离子管,位于IPM。它可以达到2 MW / M的热流²和压力从0.01到0.2(酒吧酒吧,与一个焓40 MJ /公斤驻点配置和有限公司₂的气氛。它已经被用于catalycity实验有限公司₂在90年初的ESA TRP。

的评论,似乎欧洲设施足以验证材料火星进入车辆。TPS组装测试可以执行在SIMOUN或L2K(层流)。自从驻点压力在火星进入远低于1条,现有设施应该满足烧蚀材料测试和资格。注意冷然而光滑的墙需要区别热通量和剪切粗糙的墙壁通量和剪切湍流的数值重建板流用于锥形的资格/ TPS地区扩张的角落。

2.4。血统

火星任务的一个重要问题是下降到大气中。破坏后的车辆在条目,胶囊的下降发生在一个脆弱的大气层。因为火星大气是不完全清楚,血统可以发生在冷或热的地方和密度可以缩短血统的时间变化危及任务成功。通常,血统模块使用两个降落伞,一个风向,然后主降落伞。下降的测试系统是重要的保障任务;不过,就目前而言,欧洲没有设施允许火星降落伞的测试条目。

如果使用一个充气装置,这个问题更为复杂,因为也没有地面测试模拟实验为火星和地球条目通货膨胀在高海拔条件。在这种情况下,失败的充气设备可能会导致一个失败的任务。这是更有可能导致IRDT-2R失败在其任务(42,43]。

2.5。总结

总结评估火星条目,一些现有差距已确定在欧洲的功能设施:(我)化学动力学的激波管;(2)设施的测试降落伞;(3)改善实验高超音速湍流模拟功能;(iv)改造现有设施如热风、气动热力学研究和TPS验证在有限公司₂流,是一种资产,但也许代价大。达成的性能设施F4和LBK并不完全代表火星条目(压力过低或马赫数);(v)需要追求努力测量技术(国防后勤局,全息干涉法);(vi)灰尘侵蚀:粒子速度并不代表火星的条目。

在这些不同的差距,最关键的两个点是缺乏动力学研究激波管和需要提高高超音速湍流模拟的功能。

3所示。火星上的提升

框架的一个示例返回火星任务,火星土壤样本收集到必须使用返回模块发送回地球绕火星。对于这个目标,着陆器应当恢复车辆配备了推进系统。发射器能力必须确保经过长时间的旅行从地球到火星。此外,推进系统必须支持高过荷遇到在火星条目。车载小型发射器的鲁棒性将为此次任务成功的一个问题。火星的一个例子上升轨迹如图4。从这张图,很明显,由于速度范围,提升车辆将不会受到热化学效应在进入稀薄的政权。

另一点是确保这个推进系统的发射能力,点燃在有限公司₂氛围,在低压力,不到10 mbar,日夜火星温度之间的温度。

在欧洲测试设施,可以模拟条件接近火星环境,推进系统的点火,CAEPE设施芝麻是有吸引力的,因为它能够模拟压力范围相应的工作条件的火星上升轨迹。潜在的改善将会适应这设备有限公司₂的气氛。这个设备已经用于ATV推进系统的测试。

芝麻的资产的能力测试一个全尺寸发动机和不同测试期间的压力。结合地,附加功能,可以使用现有的其他研究中心,。根据本文提供的输入,可以执行一些额外的测试在ISL评估小发射器沿着上升轨迹稳定性。因为真实气体效应不会影响提升车辆,通常的设施可以用来究其空气动力学,记住的低压火星大气层。因此,设施能够竞选高空地球提升的条件应当用于验证车辆轨迹。

从欧洲设施检查,以下是火星的兴趣提升车辆如果我们考虑其空气动力学和稳定性:(我)DLR风洞VMK TMK;(2)信息自由风洞;(3)从高温凝胶HHK Ludwieg管;(iv)激波管ISL STA和机顶盒;(v)那里风洞S2、S3和S4;(vi)你布伦瑞克Ludwieg管;(七)曼彻斯特理工设施;(八)VKI风洞。

在这些设施中,激波管ISL可以运行在低压力对应的地球海拔70公里,如图5。他们可以覆盖大部分的火星上升轨迹。从上述不同的设施,即使性能地图没有提供,火星上升轨迹应充分覆盖(更有可能的是一些重复的功能)。提炼分析,更多的细节在进入火星轨道将是必要的。为此,雷诺数的进化,马赫数范围,滞止压力需要沿着轨迹。

自从发射器的主要问题之一是点火,这一点应当这样的推进系统的关键问题。潜在的活动可以升级设施如芝麻测试发动机的工作条件有限公司₂环境。

4所示。地球高速再入

样本返回地球使命包括直接高速再入速度高于10公里/秒和高热通量(超过8 MW / m²在高峰加热,如图)1。结果是热通量的水平将会在一个数量级高于轨道进入欧洲的大部分设施设计。最大的滞止压力和滞止压力峰值加热轨迹绘制在图1表中列出4;滞止压力的分布如图所示3。

高速再入,像电离现象,消融,和辐射的二阶为一个轨道条目不容忽视:辐射水平大约是几兆瓦/ m²如表所示5对流和辐射热量通量在高峰加热对不同轨迹条目列出(参见图吗1)。TPS消融(5)可达1厘米,胶囊形状变化可能影响其稳定性。地面测试中发挥重要作用的理解这些现象,验证分析工具和超音速汽车的开发和资格。

4.1。化学动力学

激波管为研究化学动力学和热弛豫的吸引力。因此,在高速再入地球的角度来看,这些设备必须能够复制条目轨迹与高速度:约12.6公里/秒的星尘。为了提高化学动力学的知识,有几种冲击管(隧道)在欧洲,其中我们可以引用(我)HEG在德国哥廷根;(2)TH2亚琛工业;(3)在VKI远射。

其他设施存在GDL在英国曼彻斯特理工,涂在布伦瑞克和高温凝胶在德国和法国路易研究所。不幸的是,大部分的这些设施已经开发的亚轨道条目(8如表所示6和图6和不符合流条件下高速进入地球的特征。事实上,TCM2之前可以在IUSTI马赛是最具吸引力的,但这对安全设施已经关闭原因:事实上,它被打破了测试超轨道时再入条件超过9公里/秒。

由于这些限制在欧洲,唯一的选择是开发一个新的设备或使用ISC的设施。这些设施已经被用于研究地球高速再入信息灵通的框架计划(24]。出于这样的目的,以下设施可能是有吸引力的,因为他们正在运行与空气和生殖能力的严重的准入条件:(我)VUT-1从莫斯科国立大学;(2)从TSAGI ADST茹。

由于测量技术已经可以和可用的经验的操作团队,VUT-1冲击隧道是有吸引力的,但管内部的速度不能高于9公里/秒,这是有点弱超轨道返回地球。化学动力学而言,设备配件的最佳需求EVD似乎从TSAGI ADST冲击隧道。这个工具允许电离作用的调查/辐射过程背后的冲击波从8到14公里/ s。ADST被用于一个信息灵通项目的框架(24];然而,一些细节上可用此工具可以用来测量电子浓度和温度在冲击波和辐射强度。

为超轨道条目,另一种可以使用澳大利亚设施(或他人);有几种冲击隧道昆士兰大学提供高速度:(我)X1自由活塞引擎式膨胀管:10.8公里/秒;(2)X2自由活塞引擎式膨胀管:10.3公里/秒;(3)X3膨胀管:10 km / s。

这三个设备可以达到速度的超轨道地球返回;他们已经成功地用于帧的ESA TRP [19,33)关注地球高速再入(和泰坦条目)。此外,由于没有等效在欧洲,他们可以使用或者或接合ISC设施。然而,当运行在10.3公里/秒的扩张管像X2,自由流压力是0.033大气和马赫数7.3。因此,扩张管可以在压力太低真正模拟EVD再入条件。

4.2。气动热力学

绕流示例返回胶囊的特点是高水平的电离辐射。其他重要的问题是动荡和消融紧密相连。所有这些现象都有一些影响流拓扑(休克对峙,边界层)和在再入热通量水平。

至于化学动力学,研究电离辐射和最好的方法将是一个激波管接头与超轨道再入条件。为地球返回胶囊,消融是一个关键问题(星尘1厘米衰退)。与消融和边界层吹,湍流是另一个问题,因为它可以完全抵消堵塞由于吹效果(44]。

没有设施能够复制所有这些现象在欧洲。设施可能表现接近那些要求如下:(我)PWK设施国税局(足够高热流和焓但低压力);(2)LBK DLR的新喷嘴(热通量可以达到10 MW / m²1 atm驻点压力但流条件必须确认);(3)改编后的热风(测量在喉咙封面EVD再入轨迹的热通量和压力);(iv)SIMOUN是延长到达热流4兆瓦/ m²;(v)MESOX舞会和VKI等离子管感兴趣的为研究辐射。

大多数这些设施(除了国税局PWK的被用于SEPCORE TPS研究彗星返回胶囊)尚未检测EVD再入条件。他们中的许多人需要升级达到热通量水平代表一个EVD返回;此外流条件是未知的,可能不是正确的压力和马赫数范围。MESOX异常的(和可能VKI等离子管,但这必须得到证实),可以达到高辐射热量通量,没有其他设施有能力模拟流动与高水平的辐射。这不是证明,这些设施可以模拟流代表地球高速再入条件。当考虑流动空气热力学EVD重返大气层,很明显,一个必须覆盖的巨大差距。这将要求一个广泛利用现有设施和强大的努力在分析流条件和数值重建。与欧洲当前的功能,还没有完整的能力验证样品返回舱的气动热力学。

ISC,以下设施感兴趣的调查的气动热力学EVD胶囊。在开阔的框架(24),烧蚀进行了测试使用IPG-4等离子管在IPM莫斯科和U-13 TSIINMASH等离子管。这给了机会研究烧蚀材料的边界层。如果超音速流对应一个EVD再入,没有工厂能够繁殖ISC发现了这种情况。

4.3。TPS测试

TPS的测试材料用于高速再入,三分的重要性。(我)设备必须能够再现对流和辐射热量通量。(2)测试要做湍流条件自流动前沿的胶囊可以沧桑。(3)地面测试必须提供的功能为停滞条件,测试材料和资格TPS组装和关节。

如果一个EVD再入被认为是,保留设备必须达到至少8兆瓦的热通量/ m²0.5自动取款机和滞止压力。欧洲设备的特点,可用于TPS EVD胶囊总结在表的测试7。欧洲设施,可以达到热通量的相关范围(我)德国马克斯普朗克研究所GLADIS;(2)摩根大通200 (ASTRIUM-ST);(3)在DLR LBK;(iv)PWK 1-2-4 (IRS);(v)热风(CIRA)。

GLADIS [45)可以达到非常高的热通量(55 MW / m²),用于测试大元素ITER设施如瓷砖的氯氟化碳(碳纤维增强复合材料)。然而,GLADIS运营近真空条件和使用这对再入地面测试的应用程序需要一些设施的升级和修改。此外,该设备运行与他和H₂。测试与空气不可能是由于氧的存在。测试与氮可能在更高的压力,但在热通量减少。这个设施的主要兴趣是其繁殖能力高辐射热量通量。GLADIS确实是一个罕见的欧洲地面测试(可能MESOX和VKI等离子管)能够达到的水平辐射热流特征EVD再入。然而,对于这样一个目标,设备必须能够操作与空气在0.5 atm并非如此。

JP200可以达到EVD再入的热通量范围,能够有资格瓷砖,差距,胶囊TPS的步骤,和海豹。它是一个开放的设施,滞止压力不能低于1.5 atm。这意味着TPS资格用这个设备在这些条件下超大号的。其他JP200的优点是它的功能来模拟湍流流动和占动态方面的条目。关于国税局PWK1-2-4设施,他们可以达到热通量15 MW / m²(星尘的热流峰值低于这个水平)可以满足一些EVD再入轨迹(至少在高海拔的部分),但对于一个非常低的压力。热风在其标准配置不能占地EVD再入轨迹。一种可能性将是移动喷嘴喉部附近的测试模型,然后大部分的点表5可能是测试的滞止压力和热通量。LBK有一个新的喷嘴,现在可以达到10兆瓦/ m²。然而,相应的流条件尚不完全清楚。

图7比较一些欧洲设备的性能信封TPS测试和星尘再入轨迹。在这个图中,很明显,只有最后的再入低海拔地区可以重复实验;这对应于低焓的再入轨迹。从物质聚集在本文看来,在可用的设施,最能够繁殖TPS条件对应于一个EVD轨迹PWK4, LBK(但LBK需要证实的能力),和SIMOUN。JP200压力太高,但可用于达到热通量水平而热风将需要修改覆盖EVD轨迹的要求。

然而,有一个关键问题的TPS资格:辐射热流。对于这样一个条目,它是一个重要的现象,不能跳过。今天,没有设施在欧洲有生殖能力的对流和辐射热流的EVD轨迹。最执行设施辐射在空气环境,目前,MESOX舞会。因为GLADIS不能操作与空气,另一种是使用从ISC或升级现有设施设备。

如果ISC认为,以下设施相关的EVD胶囊TPS的资格:(我)等离子体霍尔发生器在HMTI(明斯克);(2)IPG-4 IPM莫斯科;(3)在TSIINMASH U13等离子管;(iv)在TSIINMASH U-15T-2电弧喷射。

在这些设施中,U-15T-2是一个强大的电弧喷射40 MW。明斯克的等离子霍尔发生器可以产生高辐射和对流热通量。这个设施是独一无二的,非常适合于一个EVD再入的要求。

另一种选择是使用激光(如GLADIS)达到高辐射热量通量。他们可以用于初始材料筛选试验和散裂测试,在伽利略项目完成。潜在的升级(或建造新的设施)是结合现有电弧加热器用激光来应对需求的对流和辐射热量通量EVD再入。

4.4。总结

总结调查,一些现有差距已确定在欧洲的功能设施,涵盖了高速返回地球。(我)化学动力学的激波管(实际上的发展动能激波管已经启动)。(2)强大的努力要做气动热力学使用和/或升级现有设施非平衡流,电离、湍流、辐射和消融。需要一个大型研究项目符合要求的EVD重返大气层。(3)TPS的材料,欧洲的手段验证材料高速再入但不是所有必需的条件在同一时间;然而,差距存在辐射。新设备或升级现有的设施将需要实现。另一种选择是使用ISC的设施。

5。动态稳定性的评估

勘探任务的另一个问题是在入口和胶囊的稳定性下降:不仅静态稳定是保证动态稳定性。在不同政权的条目和血统,胶囊的稳定性是保证任务成功和没有阶段的飞行稳定性可以保证。

在非常高的高度,从自由分子连续过渡政权,许多胶囊静态不稳定但足够小的时候,他们可以中和反应控制系统或通过应用足够的旋转。在低海拔地区,真实气体效应会影响钝体的稳定性。这特别的火星进入马赫数16至30 70°球锥的声线从边缘的鼻子胶囊,在迎风面仍在边缘。这引起一些压力的影响,因此静态不稳定。这种现象是在维京弹道测试和飞行数据范围(46)和CFD的预测和飞行数据的重新发现了探路者(47]。在超音速低马赫数范围内,许多胶囊的静态俯仰力矩系数随减少马赫数。

烧蚀产生的形状变化也会影响稳定通过改变质量特性,修剪,自转速度。这一点是地球更相关的高速再入比火星条目。TPS火星进入衰退是小(从1到3毫米),和不改变形状在考虑车辆直径时,衰退,EVD胶囊,可达1厘米胶囊的尺寸要小得多。

动态不稳定性影响所有冲的身体。因为这发生在动压峰值后,减少动态压力结合降低俯仰力矩系数产生放大的攻角振荡。这种现象出现在高超声速马赫数较低,大约4马赫第一影响,变得越来越重要和马赫数的降低,而之后对后壳的影响导致俯仰阻尼系数变得不稳定(从2.5到0.8马赫)。这种现象是很难理解的。理解的一些进展是在70年代初由贾菲(48,49]。根据作者,动态稳定后产生的滞后甚至在小攻角。现象的相应的斯特鲁哈尔数很小,约0.002,可能产生一些压力影响后面的部分胶囊(50]。

火星进入,必须保证动态稳定性,直到降落伞部署发生1.8马赫。如果地球高速再入被认为,这个问题更重要。由于其体积小和超高可靠性要求,返回胶囊可能不得不刹车和大气中降落没有降落伞(51]。这个系统的特定方面有一些胶囊设计结果。没有降落伞,胶囊在终端速度的动态稳定性成为一个重要的技术问题的任务52]。

5.1。设备稳定性研究

对于这个调查的一部分,设备稳定性测试在欧洲,ISC,也已经占澳大利亚和加拿大。这种努力包括开启测试范围和弹道隧道。

自由飞行测试可以在开放的范围或弹道进行隧道;在设施检查,三个提供这种能力:(我)弹道隧道CEEM Valcartier在加拿大;(2)自由飞行试验在ISL开放范围;(3)在澳大利亚标枪投掷器测试范围。

所有这些不同的设施可以用于测试自由飞行模式。的弹道隧道Valcartier运行与空气。ISL自由飞行范围已经用于极光科技活动(53),目前使用了天外火星测试。在这个设施,胶囊模型配备传感器是用一把枪,所有飞行参数测量。标枪投掷器测试范围主要是用来测试探空火箭和全尺寸再入示威者(54]。

大量经典设施(风洞、激波管和隧道)在欧洲调查稳定。下面的地面测试相关的稳定性研究。(我)在DLR TMK隧道(自由和强迫振荡)。(2)风洞TM500和HYP500信息自由(自由和强迫振荡)。(3)ISL超音速风洞。(iv)ISL冲击管(上图3马赫在空气中,可以为公司运行₂)。(v)那里在Modane风洞(法国)。(vi)激波管设施在曼彻斯特理工与放电室。(七)VKI S1风洞系统安装(免费)。(八)牛津大学有限公司₂吸下设施(自由振荡,用于航程之前)。(第九)ISC,隧道可以使用如下:(x)ITAM高超音速风洞T313;(十一)TSAGI高超音速风洞t - 116;(十二)TSIINMASH气体动力学单位TT-2 U-15T-2和风洞u - 306。

动态稳定性而言,问题与风洞模型支持的存在,不允许重复在飞行模型行为。模型的另一种方法是强迫振荡的一些设施,比如在VKI S1。而不是风洞,激波管的使用在ISL可以非常有吸引力的证明。减少模型保持管的一些纤维减少运行的开始,然后在管模型在自由飞行。这种技术可能会非常有吸引力的调查以来火星进入动态稳定激波管可以经营有限公司₂在低压力。摆脱支持模型的另一种可能性是使用电磁悬挂在牛津大学完成的低密度设施(55]。

其他ISC设施低超音速和亚音速流动没有包含在论文因为有很多类似的手段已经在欧洲。

5.2。评估火星和地球再入

惠更斯,动态稳定性研究在ISL的弹道隧道。此工具现在关闭,但因为它正与空气,类似的实验可以在自由飞行测试保持正确的速度和使用在雷诺数相似。惠更斯的其他测试也进行ARA贝德福德(现在关闭)和信息自由。在风洞测试也可以执行在VKI [50在火星的框架。因为它是不可能使用一个开放的范围复制完全火星大气中自由飞行条件,一种可能性是使用激波管运行有限公司₂。这将完成自由飞行和风洞测试使用有限公司₂流条件。到目前为止,从可用的信息,只有动态稳定性测试有限公司₂在欧洲进行的航程之前牛津大学(56]。

从模型的结果EVD ISL [53),自由飞行测试似乎适合调查地球再入的动态稳定性。此外,可以在几个欧洲风洞进行测试。

从调查中,功能的实验活动动态稳定在欧洲似乎很成熟。利用现有设施应满足样本返回任务。弹道隧道能够运行在低压力将是一个额外的优势,但这些任务所需的工作量将不足以确保一个全职的活动。

6。结论

在爱马仕等过去项目的框架和X38,欧洲建立了强大的实验能力的亚轨道地球再入。如果现在,样本返回任务的设想;现有的实验手段将不足以弥补技术要求等任务。

最关键的问题是化学动力学:因此,发展一个强大的清洁激波管已经开始覆盖火星进入和地球化学动力学描述高速再入。

关于不干扰方法的发展,进步已经完成但较低的节奏。这项工作应该加强和新方法开发或改进大学实验室的支持。气动热力学的两个火星进入和地球高速再入,建立一个新工厂之前,应该升级和现有的实验努力增加由于现有设施的潜力被充分利用。努力将不得不做辐射在地球高速再入:设施应该升级来弥补这一点。

令人惊讶的是,火星上升是很好覆盖现有的地面测试。这里的遗产从军事导弹有关的活动应用程序是一个优势。

动态稳定性也覆盖尤其是地球再入。火星条目,可以使用雷诺相似和测试执行地球大气中或弹道隧道建造。然而,这样一个工厂有巨大的成本和困难生活只有来自太空任务的支持。

命名法

米:	马赫数
再保险:	雷诺数
T0:	临界温度(K)
P0:	滞止压力(Pa)。

首字母缩略词

ARD:	大气再入演示
ATV:	自动转移飞行器
氯氟化碳:	碳纤维增强复合材料
CFD:	计算流体动力学
国防后勤局:	二极管激光吸收光谱
EVD:	地球车辆演示
ITER:	国际热核实验反应堆
生活:	激光诱导荧光
TALIF:	双光子吸收激光荧光
TPS:	热防护系统
TRP:	技术和研究项目。

确认

作者感谢ESA的框架合同中没有提供支持。20932/07 /问/ PA。也要感谢所有的参与者在车间设施在馆内进行3月28日,2008年,所有的实验来自澳大利亚、欧洲和俄罗斯为本文提供了输入。本文的结果在第六部分提出欧洲太空飞行器气动热力学研讨会上2008年11月在凡尔赛宫举行。

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