水下航行体空泡发展及出水溃灭特性实验研究

针对水下航行体出水过程中的空泡发展及溃灭特性问题,基于新型实验平台,即减压水下航行体运动平台,进行了垂直约束式发射实验,探究了傅汝德数和空化数对空泡发展和溃灭过程的影响。对空泡出水溃灭过程进行描述,并定义了空泡溃灭数Fc,用以衡量空泡溃灭速度。结果表明,傅汝德数主要影响空泡形状,空化数主要影响空泡的尺寸。此外,水下航行体出水时空泡溃灭向下推进速度与傅汝德数呈负相关关系,与空化数呈正相关关系。     

航行体垂直发射过程不确定性量化方法的探讨

在发射平台运动、海浪及海流、气水介质突变、空泡溃灭等的影响下,航行体水下垂直发射呈现出干扰因素随机性强、干扰量大、弹道参数变化剧烈等特点。在分析、辨识各种干扰因素的形成机制及组成结构的基础上,建立了描述航行体水下发射过程不确定度的数学模型;介绍了近年来国际上较为热门的不确定性量化研究中的数值方法和进展,主要讨论了基于多项式混沌理论的不确定度量化方法;最后,探讨了未来航行体水下发射过程不确定性量化研究所面临的一些挑战和亟待解决的问题。     

超空泡航行体流体动力数值研究

超空泡技术作为水中航行体增速减阻的重要手段已经成为了共识。超空泡航行体作为目前最具有应用前景的水下航行体,对其流体动力变化规律的研究具有重要的意义。基于有限体积方法,结合N-S方程与空化模型,建立了超空泡航行体自由运动的非定常流场求解数值模拟方法。通过对非定常超空泡流场计算结果的分析,对航行体的流体动力进行分解和建模。结合相关理论分析,确定了超空泡航行体流体动力公式。研究表明,尾拍力与空泡壁面形状、航行速度及尾部沾湿面积等密切相关。     

凹槽参数对通气空泡融合的影响

水下航行体通气技术形成的空泡能够有效降低航行阻力并调节运动姿态,但通气空泡在航行体表面不易融合,空泡形态不稳定,因此开展通气空泡的融合控制具有重要工程应用价值。采用有限体积法进行数值计算,研究了航行体孔后开槽对通气空泡融合的控制作用,并探究了不同凹槽参数对通气空泡融合的影响。研究发现,凹槽改变了空泡的流场特性,槽内产生的旋涡卷吸流经凹槽的气体,使槽内气体向航行体周向发展并融合;当槽宽取0.125D,孔槽间距取0.075D时,对空泡融合的促进以及稳压效果最佳。     

垂直发射水下航行体的通气空化数值模拟研究

基于均相流模型对垂直发射水下航行体周围的通气空化流动进行了三维数值模拟,通过与试验得到的压力数据比较验证了数值方法的可靠性,并讨论了通气时序对通气空化流场的影响。结果表明:计算结果与试验吻合较好,通气能提高空泡内压力且不同位置压力一致,空泡末端存在回射高压;随着通气时刻提前,泡内压力和回射高压增大;空泡的发展过程伴随着旋涡的形成与演变,通入空泡的气体有3种流向,气体的运动导致空泡内产生多个旋涡,旋涡的种类可以分为3类。     

水下航行体减阻技术综述

空/水跨介质飞行器经空中飞抵目标水域后高速入水，对目标实施快速打击，具有隐蔽性好、突防能力强等特点。但在水下航行中，固/液界面阻力及绕流流场变化等问题严重影响了航行速度与稳定性。减小航行体表面阻力干扰、流场优化是保障水下高速稳定航行的关键。旨在探讨适用于水下高速航行体的表面减阻与流场优化方法，对表面微结构减阻、超疏水表面减阻、超空泡减阻和微气泡减阻４种最具代表性的固/液界面减阻技术进行论述，分析各种减阻技术的机理与应用可行性，探讨适用于水下高速航行体的减阻技术发展方向。     

不同密度比球体入水空泡流体动力特性研究

基于实验与数值计算相结合的方法,针对不同密度比的疏水性球体开展了垂直入水空泡形态及水下流体动力特性研究。建立了基于高速摄像法的小型航行体入水实验系统,并进行了入水空泡高速录像观察。基于VOF方法和动网格技术建立了考虑表面润湿性的回转体入水数值模拟方法。通过与实验结果对比,验证了数值方法的准确性和有效性。基于对实验与数值结果的分析,总结了疏水性球体的入水空泡及水冠发展随密度比与入水冲击速度的变化规律,对比了不同密度比球体在水下空泡夹断前后的流体动力系数。结果表明:随着入水冲击速度的增加,球体动能加大,入水空泡和水冠尺度增大,并从准静态闭合空泡逐渐发展为深闭合及面闭合空泡,临界速度随着密度比的增加而减小。此外,空泡夹断后会形成上下两股高速射流,射流的进一步运动加速了水面及球体附近空泡的溃灭。在流体动力特性方面,球体带空泡航行阶段的时均流体动力系数随密度比的增加而减小,而随入水冲击速度的变化较小,同时空泡夹断会造成流体动力较大波动。     

《宇航总体技术》将发布深远海与水下航行体技术专刊

正当前,航天与海洋两大重点领域不断交叉融合,促进了深远海与水下航行体技术的蓬勃发展,围绕深远海探索与利用的研究正逐步深入,水下航行体新原理、新方法研究的迫切性凸显。《宇航总体技术》2017年第4期拟推出"深远海与水下航行体技术专刊",以水下航行体的技术发展为主题,刊登业内知名专家、学者研究成果,为专业技术人员提供参考借鉴。敬请关注!     

水下发射航行体出水过程瞬态响应的谱分析方法

水下航行体在穿越水面时,受到移动式空泡溃灭压力作用,激起结构较大瞬态响应,因此其出水问题是工程设计的关注焦点。针对移动载荷作用下的水下航行体的瞬态响应问题,提出了基于冲击响应谱的谱分析方法,对于多模态下的综合方法进行了研究和比较,并对航行体出水动态响应进行了分析。采用本文方法可以在频域中迅速地获得结构动态响应解,并与时域解具有较好的一致性,且可以考虑外力随机分布下的动态响应,具有较好的适应性。     

水下航行体齐射出筒“水锤”特性分析

水下航行体齐射出筒过程后，由于外部流体冲击发射筒底部产生“水锤”现象，对发射平台结构具有较强的破坏作用。基于雷诺时均Navier-Stokes方程，采用SST k-ω湍流模型和VOF多相流模型，结合重叠网格技术，在考虑航行体六自由度运动的情况下建立了适用于计算水下航行体齐射的数值计算方法，分析了齐射状态下“水锤”效应对首次发射筒的作用规律，并研究发射顺序对“水锤”效应的影响。结果表明：航行体出筒后筒内压力出现周期性振荡；次发筒口气团膨胀导致首发筒内压力升高；首发航行体在次发筒口形成压力峰值，并引起次发筒口压力振荡；逆序发射工况下次发筒口气团偏移至首发筒引起首发筒内压力升高。     

垂直起降可重复使用运载器发展现状与关键技术分析

重复使用运载技术是降低单次发射成本、提高发射密度和减少残骸危害的有效手段,随着以Falcon 9系列为代表的垂直起降运载器的成功回收与重复使用,其在商业航天发射市场表现出了较强的竞争力,掀起了可重复使用运载器的研究新热潮。首先梳理了垂直起降可重复使用运载器的发展现状,然后结合垂直起降运载的任务特征分析了其关键技术,最后总结了垂直起降运载器的发展趋势。     

航天运载器力学环境工程技术发展回顾及展望

近50年来,航天科技工作者对运载器发射飞行过程中的力学环境的认识逐步深入,带动了相关基础理论、预示方法、分析工具、试验技术和试验设备的不断发展。随着航天技术的快速发展,对运载器等的设计要求越来越高,火箭经受的力学环境也越来越恶劣,火箭力学环境预示与试验技术研究的迫切性日益突出。文章综合分析了力学环境预示与试验技术领域的研究发展状况,重点总结了北京强度环境研究所50年来为解决航天工程中的诸多力学环境问题所做的具体工作。最后,结合新时期航天项目的工程需求,提出了今后在航天运载器力学环境预示与试验技术研究领域的主要研究方向。     

运载火箭返回着陆在线轨迹规划技术发展

在线轨迹规划技术作为实现可重复使用运载火箭返回着陆的关键技术,能够根据飞行状态实时计算最优飞行轨迹,从而有效应对运载火箭返回过程中内外部不确定性的影响。首先,梳理了在线轨迹规划方法的特点和研究现状。然后,阐述了美国针对在线轨迹规划技术开展的研究工作,以及其他国家航天机构针对垂直着陆制导控制技术设计的验证飞行器和验证计划。最后,结合运载火箭垂直着陆问题的特点,总结了基于数值优化的在线轨迹规划技术的研究方向。     

New Power for Boosting China's Aerospace Industry

China's new-generation launch vehicle LM-5 successfully completed its maiden launch in November 2016.Among the new technologies applied in the launch vehicle,four types of liquid rocket engines attracted extensive attention.These engines feature advanced concepts and technologies such as a staged combustion cycle and expander cycle.The engines are the results of hard effort of more than ten years,which is also an epitome of the development history of China's aerospace industry.This paper gives a brief introduction to the technological schemes,main parameters,development process and application of the four types of engines that powered the new-generation launch vehicle.Finally,proposals for new liquid propulsion technology development in the future in China are presented.     

大推力液体火箭发动机研究

大推力火箭发动机是航天发展的基础,是国家高科技水平和综合国力的体现。分析了运载火箭主动力发展的现状和趋势,指出大推力液氧煤油发动机和液氧液氢发动机是发展方向和最佳组合。提出了我国重型运载火箭大推力液氧煤油发动机和液氧液氢发动机的总体方案和主要参数,研究了两种发动机的关键技术及其解决途径。这两种大推力发动机的研制,将为我国载人登月、深空探测等重大航天活动和空间利用提供动力支撑。     

Technology and Market Prospect Analysis of Low Cost Small-lift Launch Vehicles for Small Satellites

The technological development status of new generation low cost small-lift launch vehicles applied to small satellite launch is investigated in this paper. The development trends are summarized, including low cost and rapid response capability, utilization of mature rocket and missile technology, the development of mobile launch technology adopting air-based platforms and use of innovative technology. Moreover, the external power and internal demand of the small-lift launch vehicle are analyzed and the market prospect is forecasted. Finally, proposals for the development of small-lift launch vehicles are put forward, including exploration of the potential of existing rocket and missile technology, development of multi-platform mobile launch technology and further application of innovative technology and ideas.     

运载火箭飞行载荷联合优化控制技术

为了解决基于模块化研制的运载火箭其飞行剖面载荷与承载能力不匹配而导致发射概率过低的问题，提出一种基于弹道风修、发动机节流、主动减载、横向动载荷精细化四项减载技术的飞行载荷联合优化控制技术。以箭体承载能力为约束，提高发射概率为目标，多种载荷控制技术联合为手段对运载火箭进行逆向设计，可以有效提高模块化研制火箭的发射概率。以长征八号运载火箭首飞为例，该技术成功将发射概率由研制初期的33%提高到83%。     

运载火箭贮箱增压控制技术发展综述

随着运载火箭低成本、高可靠性的发展趋势,对贮箱增压的控制技术提出了更高的要求。在研究国内外火箭的增压控制技术现状的基础上,总结提炼出增压控制技术的发展趋势,为后续新型火箭的研制提供参考。     

重复使用运载火箭精确回收滑模动态面控制

针对可重复使用运载火箭一子级再入垂直着陆阶段，利用滑模动态面控制(SMDSC)技术设计了一个精确垂直回收控制策略。首先考虑运载火箭的燃料消耗、质心变化及转动惯量摄动等特点，建立运载火箭一子级返回段动力学模型。然后针对范数有界的不确定性和有界连续的未知干扰，设计一个滑模状态观测器和一个自适应参数估计器用于获得其估计值；随后，基于获得的状态估计值和未知参数估计值，设计了一个基于自适应动态面技术的跟踪控制律。最后，通过数值仿真，对比两种不同控制策略下的运载火箭垂直返回姿态角跟踪能力。结果表明，采用本文提出的自适应滑模动态面控制策略具有更好的跟踪效果.