郭 斌，杨 雷，倪 庆，罗太超

(1. 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094；2. 中国航天员科研训练中心，北京 100094)

0 引 言

新一代载人飞船需要具备执行近地和深空探测任务的能力。因此,要求新一代载人飞船返回舱具备以第二宇宙速度再入返回的能力[1]。当其以第二宇宙速度(10.8 km/s)再入地球大气时,会遇到比近地轨道再入返回更严峻的气动环境,这些问题的解决与否将关乎任务的成败。主要体现在以下两方面:首先,对于大尺寸载人航天器而言,第二宇宙速度再入返回时带来的辐射热相比近地轨道再入返回增加一个数量级,从而需要付出更大的重量代价进行热防护,因此需要通过气动外形优化有效改善再入热环境;其次,考虑到航天员承受过载极限,需要通过跳跃式再入方式减少再入峰值过载,因此需要设计更高升阻比的气动外形,提高飞船跳跃式再入返回的控制效率。

因此,新一代载人飞船返回舱气动设计重点为降低再入热环境以及提高升阻比。考虑到传统气动外形分析工况多,变量耦合严重,直接通过数值模拟遍历几何参数的方式非常耗时。本文提出通过在设计几何参数范围内选取样本点建立近似模型,并通过多目标优化气动外形[2-6]。

1 国内外天地往返运输飞行器气动外形概述

美国MPCV(多用途载人飞行器)主要用于运送乘员到达国际空间站以及地球轨道以远的太空区域,具备支持月球、近地小行星和火星探测能力[7]。该飞行器由返回舱和服务舱组成,其返回舱的气动布局经过了4轮设计,尝试了不同的倒锥角和最大直径截面直径尺寸,第4轮外形基本为阿波罗返回舱外形的放大外形(图1所示)。……