有翼高超声速再入飞行器气动设计难点问题

有翼高超声速再入飞行器是近年来的研究热点,气动设计是飞行器设计的关键。为了更清楚地认识有翼高超声速再入飞行器气动设计的难点问题,对有翼高超声速再入飞行器的发展、优势及总体任务剖面进行了介绍,从5个方面详细介绍了该类飞行器气动设计的难点问题,包括多约束复杂面对称气动布局设计、高温真实气体效应对气动特性影响、天地差异与天地换算方法、反作用控制系统(RCS)喷流干扰对气动特性的影响以及气动数据不确定度等,简要阐明了这些难点问题对总体设计的重要性以及初步的解决思路,为有翼高超声速再入飞行器气动设计提供了一些参考。     

一种减小再入飞行器侧向气动非线性的布局优化方法

为改善升力式再入飞行器在跨声速段出现的侧向气动特性非线性问题,发展了一种基于Kriging代理模型的自适应迭代气动布局优化方法。设计了一种常规升力式再入飞行器布局,计算了该布局在跨声速段的侧向气动力,分析了可能影响侧向气动特性的机翼布局参数。根据气动布局优化流程,计算了气动布局样本气动特性,建立了布局参数到侧向力矩系数导数的代理模型,完成了以减小飞行器侧向非线性为目标的布局优化设计。优化布局的气动特性计算结果表明,所发展的方法是可行和有效的。该项研究为再入飞行器减小侧向气动非线性提供了新的布局设计途径,有利于降低控制系统设计难度,保障飞行安全。     

适用于概念设计的再入飞行器外形优化设计方法

面向再入飞行器概念设计,提出了一种实现外形多目标优化的综合设计方法.基于类型函数/形状函数变换技术建立参数化几何模型,实现了以少量设计变量描述较大范围的设计空间;引入考虑真实气体效应的工程方法估算气动特性,应用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)实现考虑升阻比和容积利用率最大化以及热流量最小化的多目标优化设计;通过减法聚...     

面向弹道优化的高超声速再入飞行器模态稳定性分析

为研究高超声速再入飞行器沿弹道的自由扰动运动的稳定性，考虑大气密度随高度的变化和引力梯度，建立了高超声速无动力再入纵向动力学小扰动线性化方程，然后获得转移矩阵和特征方程，在此基础上进行沿弹道的纵向模态分析。利用二次曲线及基于类型函数和形状函数（CST）的方法提出升力式高超声速飞行器气动布局，并采用工程估算方法获得飞行器气动特性数据。针对最大射程、最小射程和跳跃弹道等典型再入弹道进行沿弹道的模态稳定性分析，得到高超声速再入弹道高度模态、沉浮模态和短周期模态稳定性沿弹道的变化特征。从稳定性的角度，对弹道优化提出建议：应避免所设计的弹道产生太大的跳跃，即使是牺牲一些射程上的性能，因为跳跃会使短周期模态和沉浮模态产生更多的不稳定特征根。     

高超声速再入飞行器气动轴研究

根据根据力学中的力螺旋概念，论述了再入飞行器的气动轴存在的一般性，分析了再入飞行器气动轴的三种类型，提供了确定气动轴的方法，建立了计算非对称再入飞行器飞动轴的近似方法和数值方法，近似方法基于修正的牛顿流理论和推广的内伏牛顿流理论，数值方法基于Ｊ．Ｅ．Ｄａｙｗｉｔｔ教授发展的分离系数矩阵欧拉方程时间相关方法和张鲁民研究员发展的三维定常分离系数矩阵欧拉方程的空间推进方法。     

再入飞行器烧蚀热防护一体化计算方法

针对再入飞行器烧蚀热防护系统烧蚀与瞬态温度耦合响应预测问题,提出了一体化计算方法,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供包括气动热、烧蚀后退、瞬态温度响应在内的动态响应预测依据。该方法采用Sutton-Graves和Tauber-Sutton理论计算驻点的对流热流和辐射热流,通过表面能量平衡整合具有较高精度的烧蚀模型,并通过Landau变换简化烧蚀后退带来的节点删除过程并保证空间离散精度,最后求解瞬态有限差分热传导方程获得烧蚀热防护系统的热环境、烧蚀过程和温度响应。通过对比计算碳-碳材料钝头体地球再入过程和酚醛浸渍基碳烧蚀体（PICA）材料电弧风洞烧蚀模拟,对该方法对于不同材料体系的适用性进行了验证。计算结果表明：对于密度较高的碳-碳材料,本文计算结果与经典的热平衡积分法吻合较好,偏差在7%以内;而对于低密度材料（如烧蚀性能对压力高度敏感的PICA材料）,随着热流和压力的增大,预测偏差逐渐增大。所提出的方法实现了气动热、烧蚀、瞬态温度响应耦合过程的一体化计算,在保证精度的前提下实现快速计算分析,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供依据。     

A low risk reentry: looking backward to step forward

Low risk reentry vehicles, as recently proposed, may represent the right answer for the future demands of space exploration, Space Station operations, and space tourism. In this paper the low risk features of sharp reentry vehicles are discussed. In particular, the concept of boundary layer thermal protection is illustrated with reference to a three-dimensional nose-cone geometry. The flow field around the fuselage tip is found by Computational Fluid Dynamics (CFD) calculations. The critical aerothermal conditions in the velocity-altitude plane are identified, in terms of the highest temperature surface points that belong to the Thermal Protection System (TPS) (i.e. the stagnation point of the fuselage tip) and to the structural material (i.e. the point at the junction of the TPS with the structure). Typical reentry trajectories for a concept vehicle are computed according to this new descent philosophy, which comply with thermal boundaries. The influence of the chosen aerodynamic solutions on reentry heating and on downranges and crossranges is then discussed.     

先进空间运输系统气动设计综述

天地往返运输系统是能够自由进出空间轨道、安全返回地球表面、执行天地往返运输任务的航天运输体系。近年来,随着先进动力、新材料、新工艺的带动效应逐渐显现,各航天集团开始了新一轮先进天地往返系统的研究,其中大量研究项目针对具备完全可重复使用、可大幅降低运送有效载荷进入太空成本的先进天地往返运输系统展开。本文针对这一热点领域进行综述性研究,对不同类型进出大气层飞行器的气动设计特点进行了分析,结果表明跨大气层飞行器是天地往返运输系统的主要载体,认为未来主要以火箭助推入轨滑翔再入和水平起飞水平返回为主要发展方向,两类飞行在气动设计方面有高超飞行器宽域飞行适应性的共性难题,同时在气动-动力一体化化设计方面又有较大的差异。     

基于NFTET的高超声速飞行器再入容错制导

针对以X-33为对象的三自由度高超声速飞行器,采用相邻可行轨迹存在定理(NFTET)设计了容错制导律以解决再入段执行器发生故障的轨迹重构问题。在标称情况下采用预测校正算法生成满足再入过程约束和终端约束要求的再入轨迹;当执行器发生故障时,飞行器气动参数、结构和舵面力矩都可能发生不可预测的变化,原先的轨迹不再满足制导要求,因此需要设计新型容错制导律。针对实际再入制导模型,基于NFTET设计容错制导算法对轨迹进行重构,得到满足故障情况下制导任务的可行轨迹。从仿真结果中可以看出,容错制导算法生成的新轨迹重新回到了约束范围之内,轨迹呈收敛趋势,使得高超声速飞行器从故障恢复到正常飞行状态,提高了飞行器的自主容错能力。     

跨超、高超声速风洞模型动导数试验技术研究

介绍了气动中心高速所为航空航天飞行器所开展的动导数试验技术研究,主要包括高速大攻角动导数试验技术、再入体模型配平状态动导数试验技术及基于气体轴承的高超声速风洞模型滚转阻尼导数试验技术。阐述了这些试验技术的试验设备及测试系统,给出了典型的试验结果,并进行了分析与讨论。     

基于CFD方法的俯仰静、动导数数值计算

应用时空二阶精度的隐式迭代NND算法,数值模拟了尖锥、钝锥、弹道外形和飞船返回舱等典型再入飞行器作强迫俯仰振荡的粘性动态流场,给出动态气动力和力矩系数的时间历程,在此基础上,运用积分法和奇异分解线性最小二乘法辨识静、动态气动稳定性参数,并与试验结果及半经验理论预测方法进行了比较,表明本文方法具有准确度较高、效率较高及适应性广等优点.     

考虑禁飞圆的滑翔式机动弹道与气动特性参数耦合设计

 为获得滑翔式再入飞行器最佳气动与弹道机动性能,针对规避禁飞圆的远程滑翔式再入问题提出了一种机动弹道与气动特性参数耦合设计方法。耦合设计外环以气动特性参数为设计变量,基于抛物阻力极线模型提取最大升阻比和对应升力系数为气动特性参数;耦合设计内环以泛化升力系数和侧倾角为设计变量,获得给定升阻特性下能规避禁飞圆且满足再入走廊要求的滑翔式再入轨迹。耦合设计问题以再入驻点总热流最小为优化目标,以再入走廊、终端位置和速度为约束,求解满足弹道机动要求且目标函数最小的最佳气动特性参数。提出了一种规避禁飞圆的侧向几何制导逻辑用于内环轨迹设计。仿真算例得出禁飞圆半径越大,需要的滑翔式再入飞行器最大升阻比越大,且再入轨迹刚好能绕过禁飞圆。仿真结果验证了耦合设计方法和侧向制导逻辑的有效性,该方法可为飞行器方案设计时的气动布局选型等工作提供参考。     

Space Debris Reentry Analysis Methods and Tools

The reentry of uncontrolled spacecraft may be broken into many pieces of debris at an altitude in the range of 75-85 km. The surviving fragments could pose great hazard and risk to ground and people. In recent years, methods and tools for predicting and analyzing debris reentry and ground risk assessment have been studied and developed in National Aeronautics and Space Ad-ministration (NASA), European Space Agency (ESA) and other organizations, including the group of the present authors. This paper reviews the current progress on this topic of debris reentry briefly. We outline the Monte Carlo method for uncertainty analysis, breakup prediction, and parameters affecting survivability of debris. The existing analysis tools can be classified into two categories, i.e. the object-oriented and the spacecraft-oriented methods, the latter being more accurate than the first one. The past object-oriented tools include objects of only simple shapes. For more realistic simulation, here we present an object-oriented tool debris reentry and ablation prediction system (DRAPS) developed by the present authors, which introduces new object shapes to 15 types, as well as 51 predefined motions and relevant aerodynamic and aerothermal models. The aerodynamic and aerothermal models in DRAPS are validated using direct simulation Monte Carlo (DSMC) method.     

Probabilistic transient thermal analysis of an atmospheric reentry vehicle structure

Thermal analysis plays an important role in the structural design of atmospheric reentry vehicles, which are subjected to severe aerodynamic heating. It is sometimes difficult to assess the design safety margin because of uncertainties in the predicted heat flux and the material properties used in the thermal analyses. However, probabilistic techniques allow the effects of uncertainties to be analyzed, and the present study demonstrates the probabilistic thermal analysis of the PARTT reentry vehicle using the Monte Carlo technique to investigate the probabilistic temperature responses. The temperature responses were found to depend significantly on time and location, and reliability was predicted at all locations. The peak temperature of the vehicle's main structure was found to be strongly correlated with heat shield temperature, and analysis of the contributions of random parameters showed that heat flux and heat shield emissivity significantly affect the peak temperature. These results indicate that the thermal design of the heat shield shell is very important for the whole structure. It is expected that such information will provide good insight for the design of a reentry vehicle's structure.     

用非结构动网格技术计算确定再入飞行器配平攻角

提出了用数值计算直接确定飞行器配平攻角的自由振动法.该方法采用非结构动网格技术,使飞行器在气动力作用下绕通过质心的轴线自由振动,最终衰减到配平攻角.构造了一种MUSCL类型有限体积格式,求解考虑了动网格效应的三维非定常Euler方程,采用弹簧近似技术实现非结构网格的变形运动.作为例证,计算确定了载人飞船返回舱的配平攻角,计算结果与实验结果接近.该方法外形适应能力强,效率较高,具有较好的应用前景.     

高超声速风洞多体干扰与分离试验技术

在FL-31风洞中进行了某高超声速飞行器的多体干扰与分离试验技术研究,成功建立了多体干扰与分离试验技术。试验模型是某典型构型的可重复使用航天飞行器,由助推器以及再入体两部分组成。利用风洞上下投放机构实现两模型间的相对运动,采用两台天平对模型的气动力进行测量,同时利用纹影仪记录模型分离过程中的激波干扰情况。结果表明：试验系统设计合理,能准确模拟物体间分离过程,并能精确测量多体干扰的气动力特性,激波干扰清晰可见。     

评“用卡尔曼滤波方法确定再入体空气动力系数”

在最近的《航空学报》第3卷第3期中,江权伟等同志提出在没有轨道观测数据的情况下,仅凭借飞行器上过载和角速率测量数据,确定再入体空气动力系数的卡尔曼滤波方法。对此我提出不同看法与江权伟等同志共商榷。我认为:该文所建立的确定气动系数的数学模型是不可辨识的;在没有轨道观测数据,仅依靠过载和角速率测量数据的情况下,只能确定再入体气动力系数的比值,而不能准确地确定气动系数。 系统辨识理论告诉我们,对于一个系统辨识的数学模型,如果从参数空间至模型输入-输出空间的映象是一一对应的,这种模型就可辨识。     

Fault-tolerant control with mixed aerodynamic surfaces and RCS jets for hypersonic reentry vehicles

This paper proposes a fault-tolerant strategy for hypersonic reentry vehicles with mixed aerodynamic surfaces and reaction control systems (RCS) under external disturbances and subject to actuator faults. Aerodynamic surfaces are treated as the primary actuator in normal situations, and they are driven by a continuous quadratic programming (QP) allocator to generate torque com-manded by a nonlinear adaptive feedback control law. When aerodynamic surfaces encounter faults, they may not be able to provide sufficient torque as commanded, and RCS jets are activated to augment the aerodynamic surfaces to compensate for insufficient torque. Partial loss of effective-ness and stuck faults are considered in this paper, and observers are designed to detect and identify the faults. Based on the fault identification results, an RCS control allocator using integer linear programming (ILP) techniques is designed to determine the optimal combination of activated RCS jets. By treating the RCS control allocator as a quantization element, closed-loop stability with both continuous and quantized inputs is analyzed. Simulation results verify the effectiveness of the proposed method.     

弹性飞行器非定常气动力的递推识别

本文提出了一种识别弹性飞行器非定常气动力的滤波递推方法。该法由飞行试验数据识别出各气动指示函数的时域离散值,若经适当拟合处理,可为弹性飞行器动态分析提供较为理想的非定常气动模态。对某飞行器进行初步试算的结果表明,该方法所需数据易于采集,计算不十分繁杂,所得结果较好。     

喷流控制飞行器气动参数辨识方法研究

研究了喷流控制飞行器的气动建模与参数估计方法,以某飞船返回舱飞行试验为例,通过辨识得到了返回舱再入过程中的气动导数、喷流力矩放大系数等重要气动参数。该方法是研究喷流干扰效应的一种有效途径,辨识结果有助于提高返回舱姿态控制的准确度。