临近空间高速飞行器微量气动力试验及计算

针对临近空间大气环境微量气动力风洞试验准确测量需求，研制了微量天平测力系统，实现了微量天平的结构设计和静态校准。采用钝锥简单外形进行试验验证，并对三角翼升力体复杂外形做了探索，结果表明：钝锥外形验证试验中，3次试验时天平各载荷单元的气动数据重复性精度均优于4.8%；探索试验中，三角翼升力体外形采用该风洞目前能达到最低密度状态，试验结果表明：该微量测力天平在极限状态下表现较好。在此基础上，利用数值计算方法对上述外形进行模拟，并将模拟结果与试验结果进行对比，表明数值计算得到的钝锥和三角翼升力体的气动力均与微量天平测力结果吻合较好；对于简单钝锥外形，在其试验条件下，钝锥表面压阻远高于摩阻；对于三角翼升力体外形，其试验条件下环境大气更加稀薄，三角翼表面摩阻占比与压阻相当。     

逃逸飞行器喷流影响试验研究

本文介绍了在跨超声速风洞中进行的逃逸飞行器模型气动特性、载荷分布及流场结构试验研究,提供了Ｍ＝０．６～４．０,α＝－２°～２０°范围内的试验结果。试验结果和流动图象表明：由逃逸飞行器头部喷射出的喷流严重影响逃逸飞行器的气动特性和载荷分布。     

硅基材料烧蚀产物对再入体流场特性影响的数值计算

针对常规再入体低温烧蚀的硅基防热材料,考虑热解效应和硅碳反应,采用24个组分57个化学反应式的空气/烧蚀化学模型,初步建立了数值模拟再入过程非平衡流场的烧蚀计算模型,并对典型简化钝锥再入体的再入绕流流场和弹道靶试验模型绕流流场进行了数值计算,分析了再入体表面温度和流场烧蚀组分等参数变化规律以及硅基材料烧蚀效应对流场特性的影响。     

彩色计算干涉技术及应用

在对高速气流进行干涉法测量时，由于激波的作用或者光的散射，斑点现象，干涉图的干涉条纹可能会出现不连续，笔者通过仿真M－Z干涉仪或全息干涉仪学光模型，并且采用对多块不规则网格的计算流体力学结果进行重构的直接体视化图形算法，得到了高分辨率的彩色数值干涉图，克服了干涉条纹的不连续性给出了一个弹道靶中超高声速钝锥流场的例子。     

熵层分析与钝体绕流

本文对钝头旋转体的流动特点进行了分析, 在较严密的量级分析基础上讨论了熵层流动特点, 提出了简单的流动模型和计及熵层效应的计算方法。计算了球头、椭球头等两种钝锥绕流的物面流动参数、流场及小攻角气动力系数, 与特征线法和实验结果的比较都具有很好的定性趋势与定量的结果。根据理论分析和给出的计算结果对熵层特点进行了讨论, 另外对钝锥体气动力特性也作了一些分析与讨论。     

高超声速边界层转捩对旋转钝锥自由飞运动的影响

通过在钝锥模型表面上布置人工绊线促使边界层强迫转捩,采用运动自由度不受约束的风洞模型自由飞试验技术研究边界层转捩对高超声速旋转钝锥自由飞行运动特性和气动特性的影响规律,并与自然转捩的旋转钝锥风洞模型自由飞试验结果作对比分析,试验马赫数为5.0,以模型长为特征尺寸的自由流雷诺数为1.68×106。研究结果表明:有人工绊线的旋转钝锥在自由飞行过程中有"激励稳定"的绕流流场,产生动态稳定的自由飞运动(动稳定导数系数小于0),而无转捩绊线的旋转钝锥在自由飞行中则有"激励不稳定"的绕流流场,产生动态不稳定的自由飞运动(动稳定导数系数大于0)。     

钝锥在添质作用下的稳定性导数的分析

本文在国外有关工作的基础上进一步分析了烧蚀引起的添质作用的力学模型及其对球钝锥俯仰力矩稳定性导数的影响机理,一起计入了热—化学延迟效应和气流延迟效应,考虑了边界层为层流以及转捩为湍流的各种情况,探讨了稳定性导数与添质率、边界层转捩位置、热—化学延迟相位角、减缩频率以及攻角等诸因素的关系。并且提供了计算具有添质作用的球钝锥在小攻角下以及在不同边界层流态下的俯仰力矩稳定性导数的一套方法,较前扩展了应用范围。分析表明,当添质率较大,而在重心附近又发生边界层转捩时,钝锥的俯仰阻尼力矩导数可以出现严重的负阻尼情况。本文的计算结果与某些弹道靶试验数据以及飞行试验遥测换算数据相当接近。     

烧蚀滞后效应引起的钝锥滚转力矩

当有迎角钝锥相对于风坐标转动时，由于烧蚀滞后效应将产生滚转力矩。本文基于适当的力学模型和近似分析导出了该滚转力矩系数的解析表达式，表明该系数与α２ｓｉｎε成正比。根据结果得到的系数模数的量级是１０－６。文中还分析了它与各主要物理量的关系。     

锡青铜与钢的扩散连接

研究了ＱＳｎ４－４－２．５锡青铜与４５＾＃钢的扩散连接,以及工艺参数对接头性能的影响,确定了锡青铜与钢扩散连接的最佳工艺参数：连接温度Ｔ＝８２０℃－８５０℃,连接压力Ｐ＝１．０ＭＰａ－２．０ＭＰａ,连接时间ｔ＝２０ｍｉｎ,接头抗拉强度可达１８０Ｍａ以上,并运用金相,扫描电镜对接头进行了微观分析。     

小迎角高超声速非旋转钝锥非线性运动分析

采用分段拟合技术对小迎角高超声速(马赫数Ma=6)非旋转钝锥双平面拍摄风洞自由飞试验结果进行了分析,获得了非旋转钝锥在小迎角高超声速下气动导数非线性的具体形式,分析了非旋转钝锥在小迎角下的非线性运动特点。研究发现在小迎角范围内钝锥的动导数系数均呈现明显的非线性,而静导数系数非线性较弱,可近似为线性。各组试验的静、动导数系数的非线性形式表明,除模型Ⅱ外的其余模型均为两方向振幅不同的极限圆锥运动,模型Ⅱ为极限平面运动。每组试验两个平面的静导数系数在小迎角范围内保持基本相等。而无论出现极限圆锥运动的四组试验还是出现极限平面运动的一组试验,模型在俯仰和偏航两个方向的动导数系数均存在较大差异。     

着重于定量地提供分离位置等参数的流谱观察技术研究

本文较详细地论述了用表面油流技术所获得的流谱的可靠性,成功地提出并实现了对单张相片进行评价以确定物面点三维坐标的数学方法,给出了平板和钝锥两种典型模型的分离位置计算结果。研究结果表明,在大多数情况下,表面油流技术可以作为一种定量的而不仅仅是定性的试验技术加以应用。     

高超声速小钝锥尾流化学非平衡辐射研究

本文主要目的是研究化学非平衡对高超声速小钝锥尾流辐射的影响。计算结果表明：激发发射辐射比化学发光辐射重要，红外辐射比可光辐射重要。结果还表明：由化学非平衡瞬时辐射模型计算求得的ＮＯ５．３μ的辐射能比由局部平衡辐射模型求得的辐射能大３０￣７０％。由此可知，小钝锥尾流的化学非平衡辐射模型对辐射的影响是不能忽略的。     

关于三维Navier－Stokes方程的粘性项计算

借助于张量分析和张量计算，在贴体曲线坐标系下本文讨论了不同求解变量导致了粘性项个数上的重大差异和不同大小的计算量，并提出了便于粘性计算的最佳形式。文中借助于有限体积离散技术，通过引进两个对称辅助矩阵［Ａ］和［Ｂ］，使粘性项的计算量大大减少，这对完成三维粘性流的数值计算具有重要的指导意义。借助于上述方法，本文完成了某型真实进气道两种工况的三维粘性Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程计算（即Ｍ∞＝３．０，α＝０°和设计工况Ｍ∞＝２．６５，α＝０°），获得了满意的全场结果；对于Ｍ∞＝２．６５的设计工况，同实验数据作了比较，符合良好。由于本文的方法明显的减少了粘性项的计算量且节省了大量内存，以致于使三维流场的Ｎ－Ｓ求解能在普通微机上进行。     

一种推广的靶效应模型及其对剂量-存活率的拟合探讨

辐射生物物理模型对于准确、有效地评估空间辐射引起的生物损伤及风险具有重要意义。目前较为流行的基于地基模拟的“靶效应模型”和“非靶效应模型”，是进一步探索空间辐射生物物理模型的基础。在考虑了辐射的非靶效应和机体复杂的修复过程的基础上，将传统理论中“击中”即“失活”的线性关系进行了推广，提出了基于否定算子的靶效应模型。通过对辐射钝感和敏感的两类细胞辐射实验中剂量与细胞存活率数据进行拟合发现，对于正常皮肤成纤维细胞的存活率数据，经典的靶学说与基于否定算子的改进靶效应模型都有较好的拟合效果；而对于人类胚胎肝细胞的存活率数据，基于否定算子的改进靶效应模型的拟合结果明显优于传统的靶学说模型。拟合结果中的模型参数值在人成纤维细胞和胚胎肝细胞中明显不同，说明了本模型的参数与传能线密度，细胞的种类、以及修复能力等物理和生物因素有关。     

韧化处理300M钢的孔挤压强化机制

利用Ｘ射线衍射仪和ＴＥＭ等微观结构分析手段，探讨了韧化处理后３００Ｍ钢的孔挤压强化机制。研究结果表明，经孔挤压强化后，疲劳强度极限从σ０．１＝４１０ＭＰａ提高到σ０．１＝５３０ＭＰａ。其强化机制的来源是多方面的，包括在强化层内宏观残余压应力的产生，晶面的拉伸和压缩，晶格的弯曲和歪扭，位错密度的升高，胞状位错的形成，部分残余奥氏体向形变马氏体的转变，孔壁表面粗糙度的降低。当孔边承受交变应力时，由于以上强化机制的综合作用，从而提高了疲劳强度。     

烧蚀滞后效应引起的钝锥滚力矩

当有迎角钝锥相对于风坐标转动时,由于烧蚀滞后效应将产生滚转力矩。本文基于适当的力学模型和近似分析导出了该滚转力矩系数的解析表达式,表明该系数与α＾２ｓｉｎε成正比。根据结果得到的系数模数的量级是１０＾－６。文中还分析了它与各主要物理量的关系。     

高温高压喷管化学和热力学非平衡流计算

本文给出了高驻室压力条件下的化学、振动、电离非平衡喷管一维流动的方程组（包括Ｖ－Ｄ耦合和电离激发效应）。为了克服高压条件下喉道前空间推进步长小的困难，采用局部平衡等效γ的计算方法，对两类典型风洞（小尺寸电弧风洞和大尺寸激波风洞）进行了数值计算，并对不同驻室压力、Ｖ－Ｄ耦合、电子激发效应、不同化学模型进行了研究。计算表明，高驻室压力能够有效抑制喷管的非平衡流动。在Ｐ０＝２００ＭＰａ，Ｔ０＝８０００Ｋ     

钝体化学非平衡粘性流数值模拟

用有限差分法求解Ｎ Ｓ方程,数值模拟了二维钝楔头部和近尾迹非平衡化学反应流场。模拟条件为Ｍａ∞＝２５,飞行高度ｈ＝７０ｋｍ,半楔角θ＝２０°,钝度比为０６０;气体组分为７个组元,共１１个化学反应式。头部流场结果与已有计算结果符合较好。在Ｍａ∞＝２５条件下,底部近尾迹较大区域内具有较高的温度和较大的电子密度,且下降趋势缓慢。     

开槽钝锥体及等离子体鞘套的RCS特性研究

采用时域有限差分（FDTD）方法研究了等离子体鞘套包覆目标的电磁散射特性,发展了超高速飞行器及其等离子体鞘套RCS特性并行计算软件。采用发展的软件完成了超高速开槽钝锥后向远区时域特性和0°入射角附近的电磁散射截面积（RCS）的计算分析,并在中国空气动力研究与发展中心的气动物理靶上进行了超高速开槽钝锥体的RCS验证试验。研究表明：在钝锥体表面开环槽并填充透波性能良好的介质材料相当于在钝锥体表面人为地增加了一个散射中心;在低频区和谐振区,开槽后钝锥体的RCS在原值周围变化,而在高频区,钝锥体的RCS在0°入射角附近很宽的范围内均显著增大。     

高超声速弹道靶泰氟隆锥模型及弹托设计

模型及弹托设计是开展弹道靶试验研究的基础。对用于再入物理特性研究的泰氟隆锥模型，采用了钨、铝作芯体配重的鞘套结构，而弹托采用了四瓣不封底和八瓣全包覆两种结构并选用了聚碳酸酯和超韧尼龙两种材料。发射试验结果表明：用此方法设计的泰氟隆锥模型和选用超韧尼龙做成八瓣全包覆弹托能实现泰氟隆锥模型的超高速发射，模型的发射速度达到5．7km/s，且模型与弹托分离满足再入物理试验研究的要求。