跨介质航行器波浪环境入水流场演变和运动特性研究

跨介质航行器是一种既可以在空中飞行又可以在水下潜航的新概念航行器,基于仿生学原理,提出一种通过改变外形实现水空介质跨越的航行器模型,通过入水试验装置和计算流体动力学方法,对航行器带攻角从空气到水的介质跨越过程进行了试验和数值仿真研究,得到了跨介质入水过程航行器的运动姿态和入水空泡形态,并通过数值仿真得到了航行器的升力、阻力、速度和加速度演化规律。同时基于数值模拟方法对有波浪情况和静水情况下航行器入水过程空泡演变以及运动特性进行对比。结果表明:提出的航行器构型在水中具有较好的姿态调整能力,波浪的有无和波高的不同都会对航行体入水运动特性造成影响。     

空化对航行器垂向入水特性影响机理研究

航行器以一定速度入水过程中将发生空化现象,这对其受力特性及运动轨迹都有重要影响,是跨介质航行器的关键问题。针对航行器不同速度垂向入水中的空化现象开展了数值模拟研究,采用整体运动网格方法,分析了航行器垂向入水过程中,空化和入水速度对运动特性及流场演化的影响。研究结果表明,超空泡主要从航行器外形斜率改变处开始生成,空泡的闭合与溃灭都会造成受力曲线的较大波动。超空泡的减阻效果主要在航行器完全进入水面后体现,且航行器垂向入水速度越大,阻力系数越小。     

基于变体积力的跨水气界面多相流及流固耦合问题实验方法研究

航行体跨水气界面过程物理现象复杂并且多种力学效应耦合,相关研究往往需要利用缩比模型实验开展。已有缩比模型实验体积力保持不变,主要考虑弗劳德数和空化数相似,难以分析其他相似参数影响。利用离心机形成可变体积力环境,增加了实验可控参数,提高了实验模拟参数的完备性。通过流动和结构形变理论分析,形成了基于变体积力的跨水气界面多相流及流固耦合问题研究方案,可在考虑弗劳德数和空化数影响条件下,进一步考察雷诺数或结构形变的影响。针对上述研究方案,分析了缩比模型实验模拟条件并开展了仿真计算,验证了所提出实验方案的可行性,为跨介质问题研究丰富了探索途径。     

潜射导弹大攻角空化流动特性计算研究

潜射导弹水下高速运动时,弹体表面的空化现象对导弹的受力及力学环境有重要影响。通 过数值模拟,对大攻角情况下空化流动的特性进行研究,计算结果与试验值吻合较好, 验证了数值算法的准确性。得到弹体表面的压力分布情况,获取了不同攻角下空泡的不同形 态,分析了不同攻角、空泡数对弹体受力的影响。     

海流对出水空泡演化过程影响机理数值研究

采用数值仿真手段,重点针对海流对空泡演化过程的影响开展研究,形成考虑海流影响的空泡多相流理论与数值计算方法,分析了海流流向及流速影响,获得了海流对空泡发展演化的作用机制及对航行体流体动力特征的影响规律。研究结果表明:航向海流对溃灭阶段的空泡形态变化影响较为明显,不同海流工况下,泡内水、气分布有所不同,高压产生次序及溃灭过程的流动结构变化也因此不同。横向海流作用下的空泡形态差别不大,受到合成来流方向发生偏转的影响,迎流面向横向来流方向偏斜,造成空泡形状不对称。     

高超声速平板近空间气动特性的计算分析研究

采用DSMC方法对二维小尺度平板在近连续流至自由分子流区域、攻角为0°～30°下的高超声速气动特性进行计算分析,旨在探索高超声速飞行器在近空间空域内气动特性的变化规律和影响因素.结果表明,升阻比随努森数、马赫数的增加单调下降,相对比来说,马赫数对升阻比的影响不是很明显,而努森数的影响比较明显.特别针对摩阻特性进行了分析,在马赫数10、高度55～110km、0°攻角时摩阻在总阻力中所占比重高达60%以上.随着攻角的增加,由于波阻的急剧增加导致摩阻所占比重下降.在10°攻角下,摩阻在总阻力中所占比重约为45%～70%.30°攻角时摩阻在总阻力中所占比重则下降为12%～50%.同时还发现,在近自由分子流区域中,0°攻角时阻力系数随着马赫数的增加而下降,在有攻角时该马赫数效应呈现减弱趋势.     

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。     

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。     

真实气体效应对高超声速轨道器气动特性的影响

基于一个7组元6反应动力学模型，采用NND差分格式求解化学反应Navier-Stokes方程，数值研究高超声速轨道器的绕流特性。重点讨论了轨道器气动特性在真实气体效应作用下对不同来流状态和不同舵偏角的敏感性。研究表明：真实气体效应主要发生在物面附近很薄的激波层内，缩短了激波的脱体距离，使激波层变薄，流动变量的梯度变大；空气的离解和电离导致轨道器的阻力系数比完全气体计算值低，压心位置前移。小攻角下，升力系数和俯仰力矩系数的真实气体计算值高于完全气体计算值，大攻角情形则相反。此外，小攻角时真实气体效应产生小低头力矩，而大攻角时产生小抬头力矩。单就舵面而言，真实气体效应使其阻力系数增大，使其升力系数和俯仰力矩系数在小攻角且非负舵偏角时变小，在大攻角且负舵偏角时变大。特别地，真实气体效应仅在零攻角且零舵偏角时对舵面的压心位置产生较大影响。     

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。     

一种临近空间高超声速飞行器翼舵干扰研究

在临近空间区域内飞行的高超声速飞行器对舵面操纵特性提出了严苛的要求,在高空高速条件下主翼对舵效有严重影响。通过风洞试验对带全动舵升力体的高超声速升阻特性进行了研究,发现由于主翼的遮挡效应,负舵偏比同舵偏值的正舵偏对升力体升阻特性影响更明显。数值模拟结果显示在舵偏角从-20°～20°变化过程中,由于主翼与舵面之间气流干扰造成舵面上下压差变化复杂,-12°～2°舵偏产生抬头铰链力矩,其余正负舵偏均产生低头铰链力矩,主翼后缘上表面的分离线随攻角增加逐渐前移,迎风面高压气流通过翼舵之间缝隙向上发展,使得舵上表面再附线后移,翼舵之间均有明显的横向流动。     

点阵结构空气舵及内部流体热流固耦合研究

开展了钛合金TC4材料激光粉末床熔融(LPBF)工艺研究,在此基础上设计了多孔轻质空气舵模型,并基于有限差分法(FDM),采用三维流固耦合共轭传热数值计算方法,利用流体体积法(VOF)追踪流体自由液面,研究了典型的点阵夹层结构的空气舵内部冷却液动态换热过程的相互影响过程,考虑了冷却液与钛合金材料蒙皮间的耦合传热及湍流换热。结果表明,空气舵的内部流体压强随速度的增加而增加,从而导致流体出口的速度增加。当压强增加到一定程度时,流体的出口以水柱形式喷出。虽然较大的流体速度可以带走较多的热量,但是影响远小于对压强的影响。综合考虑空气舵的服役要求,获得了合适的冷却水入口速度。     

用于飞行器横滚稳定控制的组合陀螺舵研究

在传统单转子陀螺舵的基础上,通过仿真分析和虚拟试验,对陀螺转子数量、结构参数、组合形式和空间布局等进行了多学科优化设计,形成了一系列多转子组合陀螺舵,突破了传统单转子陀螺舵控制能力较小、应用范围受限的现状,提高了其对飞行器横滚稳定控制的能力;针对几种典型飞行器的约束条件,通过组合陀螺舵的设计应用,使其横滚衰减因子达到0.002以上,具有良好的横滚稳定性,有助于推动组合陀螺舵在航天飞行器领域的应用和创新。     

非对称变翼飞行器复合控制系统设计

针对非对称变翼飞行器的姿态控制问题，提出了一种复合控制系统的设计方法。基于非对称变翼的姿态动力学模型，将变翼作为一种主动控制方式，提出了非对称变翼的使用条件，并采用逻辑函数设计了气动舵和变翼的复合控制分配策略。利用扩张干扰观测器估计了变翼过程中的扰动，采用全局滑动模态的变结构控制方法，设计了姿态复合控制系统，抑制了变形过程中参数的剧烈变化和变形引起的附加扰动。通过仿真，一方面与固定翼飞行器对比，校验了非对称变翼控制的有效性；另一方面通过气动数据的正负拉偏，验证了控制器对气动参数的摄动有良好的鲁棒性。     

基于快速响应PSP技术的跨声速脉动压力实验研究

利用快速响应压敏涂料(PSP)技术对弹箭类飞行器跨声速段的脉动压力特性开展风洞实验研究,获得了Ma=0.8～1.2范围内弹箭类飞行器全表面1.2s实验时间段内的脉动压力特性,较全面地研究了马赫数、攻角(舵偏角)对脉动压力分布特性的影响。实验结果表明,快速响应PSP技术的脉动压力测量结果与高精度脉动压力传感器结果较为吻合,均方根脉动压力系数的测量误差小于15%,精度要求满足工程设计使用,且快速响应PSP测量方式能够获得弹箭类飞行器全表面的脉动压力分布,有利于捕获压力峰值和辨识跨声速非定常流场结构,更好地指导脉动压力载荷设计,在弹箭类飞行器设计中有较高的工程应用价值。     

带有引诱角色的有限时间协同制导方法

为实现高价值飞行器的有效突防，采用突防飞行器携带一枚防御器的协同突防方案，在突防器作为引诱角色的情况下，基于有限时间控制理论提出了一种带有拦截角约束的协同制导方法。基于飞行器相对运动学方程和一阶动力学特性，建立了带有拦截角约束的协同反拦截模型；用度量矩阵刻画系统有限时间输入输出动态品质，基于微分线性矩阵不等式给出了有限时间状态反馈控制器设计方法。数学仿真表明，该方法能够确保防御器在有限时间内以预置的拦截角有效拦截对方拦截器；在突防器进行引诱配合的情况下，协同突防方案能够大幅节省防御器需用加速度，验证了协同制导方法的有效性；同时，所提制导方法在不同拦截角度和初始发射条件下都能达到较好的控制效果，表现出较强的鲁棒性。     

导弹电动舵机系统的可靠性设计和预测

本文针对导弹电动舵机系统，应用我们提出的系统可靠性最优化设计方法，在给定系统总可靠度、各分系统费用配额和质量配额的条件下，设计舵机各部分的可靠度，首先建立基于相对对数可靠度概念的系统可靠性数学模型，确定了舵机各部分的相对可靠度与相对费用、相对质量及舵机系统级数之间的关系，应用极大值原理，通过数值求解，得到舵机各部分的可靠度。最后，对实际舵机各部分进行可靠性预测。预测结果与设计结果相一致，这说明本文提出的这种可靠性设计方法是成功的，具有普遍应用价值。     

高超声速飞行器气动/隐身优化设计方法

针对高超声速飞行器气动布局设计中气动设计与隐身设计矛盾的问题,采用高精度气动和隐身计算方法,建立了基于直接全局优化算法、二次曲线参数化方法和Kriging代理模型的多学科优化设计平台,并对典型高超声速布局升力体外形开展气动/隐身一体化优化设计研究。结果表明：升力体布局典型状态下升阻比由3.13提高到3.69,考虑垂直极化和水平极化状态,俯仰±30°的雷达散热截面（RCS）均值下降60%以上,表明该平台具有良好的寻优能力,风洞试验结果验证了优化算法的可行性;高超声速飞行器的机身和翼/舵等部件具有显著的绕射特性,物理光学法等高频算法不能准确捕捉前后缘绕射,应当采用矩量法计算其RCS特性;高超声速飞行器的垂直极化和水平极化的RCS特性差异巨大,在设计中应当予以考虑。     

柔性太阳翼桅杆涂层特性对热诱发振动的影响分析

空间站大型柔性太阳翼系统在轨运行期间会受到周期性的热辐射作用,导致结构温度周期性变化,从而诱发太阳翼的振动。为研究太阳翼桅杆热控涂层特性对热诱发振动的影响,文章采用热-结构顺序耦合的方法,对桅杆无涂层、电镀涂层和白漆涂层3种不同表面状态进行热诱发振动分析,得到了太阳翼的位移-时间响应结果。对比不同涂层下太阳翼参考点的振动结果可以看出:涂层特性对于热诱发振动是有影响的,其中白漆涂层能大幅度减小振动的振幅。     

光纤法布里-珀罗传感器及其高温应用

随着航天技术不断发展，大推力运载火箭等精细化设计需求日益增加，飞行器高温工况结构及流场状态感知已成为当前研究的关键环节。基于法布里-珀罗干涉结构的光纤传感器在高温、高压、狭小空间等特殊环境展现出独特优势，被视为下一代高温原位测量工具。介绍了法布里-珀罗传感器的基本结构及原理，并分别从温度、应变和压力监测方面介绍了法布里-珀罗高温传感技术研究进展以及未来的发展趋势。基于石英光纤的法布里-珀罗传感器能够应用于1000°C以下环境，对于1000°C以上环境，需要以蓝宝石光纤作为敏感元件和传光介质。