固体火箭冲压发动机导弹气动外形设计与试验研究

某固体火箭冲压发动机导弹存在着航程阻力大、静稳定性差、平衡攻角偏大、舵效偏高等一系列问题。根据导弹的基准外形,结合相关理论,对影响导弹气动性能的关键部件进行了分析与比较研究,并对外形进行改进,建立了一系列差异化几何模型。用 FLUENT 软件,对导弹在不同攻角条件下外流场进行数值计算,得出了各模型的轴向力系数、法向力系数和俯仰力矩系数随攻角的变化规律以及表面的压力分布情况。计算结果表明,就设计目标考虑,采用改进后的大进气道、小弹翼、舵面边条、后掠舵面和水平尾翼布局的模型性能最优。为进一步研究该最优布局下各关键部件对导弹气动性能产生的影响,进行了组拆选型风洞试验。试验中将这些关键部件逐步组装到光弹体上,前后共测试了16种模型状态,经对比分析,确定了气动性能最优的外形,且该最优外形与数值计算所确定的最优模型一致。随后对该最优气动外形的导弹进行全弹风洞测力试验。试验表明,相较于基准弹,优化后的导弹模型各项气动性能均有所提高,其中,轴向力系数数值减小了3%~4%,纵向焦点位置平均后移3%左右,平衡攻角较基准弹减小1.5°(60%)左右,对质心的俯仰舵效减小了40%左右,滚转舵效减小了35%左右。试验结果与同条件下的数值计算结果吻合较好,同时这也验证了导弹气动优化过程中 CFD 数值计算方法的合理性。     

导弹气动伺服弹性稳定性分析

分析了带有舵面及控制系统的战术导弹的气动伺服弹性稳定性。动力学方程中包含弹体的一阶弯曲振动、弹体的刚体平动和转动 ,可控舵面只考虑刚体偏转。用细长体理论和气动导数方法计算了导弹的非定常气动力 ,两种方法均适用于亚音速和超音速情况。采用 Nyquist方法和 Bode图方法分析了某导弹的气动伺服弹性稳定性和稳定裕度 ,两种气动力方法所得结果一致。     

旋转导弹电动舵机控制器超前补偿方法

针对旋转导弹控制系统交联耦合问题,采用执行机构控制器前置动态补偿环节,指令端附加稳态解耦补偿矩阵的方法,削弱了由于执行机构延迟造成的通道间控制耦合。通过对舵机控制系统仿真建模及实验验证,计算出不同转速相角延迟情况,为动态补偿提供依据。基于工程需求,结合实际弹体气动参数解算不同旋转速度下交联耦合角度,在舵系统前端加入动态超前环节,为设计解耦控制器提供依据,并验证可行性。     

多飞航导弹目标协同跟踪技术研究

针对多飞航导弹对目标协同跟踪精度较低的问题,提出了一种基于弹载雷达组网和GPS/INS组合导航的无偏不敏自适应融合跟踪算法。首先,通过领弹和攻击弹的优化布站,以有效提高多飞航导弹对目标的定位跟踪精度和突防能力;在时空协同的基础上,利用无偏不敏转换对各飞航导弹的目标量测进行预处理,以减小因旋转、平移和线性化误差所带来的影响;最后,结合统计双门限判决机制,利用自适应融合跟踪算法来有效实现多飞航导弹目标协同跟踪精度的提高。仿真结果表明,与现有的弹载雷达跟踪算法相比,该算法具有较高的定位跟踪精度。     

旋转导弹单通道控制方法研究

通过分析旋转导弹的控制原理 ,从弹体舵面产生的周期等效控制力与导引头输出的误差信号之间的方位误差和幅值线性度两个方面 ,提出了一个最优的线性化信号与主控信号的频率比。建立了刚体弹道仿真软件 ,以某型防空导弹为背景进行了一系列的仿真计算。仿真结果表明 ,这一最佳频率比大大提高了导弹的制导精度 ,减小了脱靶量。     

浅析大惯量负载对机电舵系统的影响

随着导弹飞行速度的提高,弹体姿态稳定所需的操纵力矩加大,舵面气动加热效应加剧,舵面的尺寸和惯量势必增加。在电机、传动机构与控制算法确定的前提下,舵面惯量对机电舵系统具有何种影响,成为提高机电舵系统控制要求的关键问题。在搭建的电机—传动机构—负载的三质量模型基础上,从理论及仿真上进行了惯量负载对舵系统的影响分析,并在某机电舵系统上进行了试验验证,为研究大惯量负载机电舵系统提供了理论依据。     

亚音速飞行的某型导弹舵面颤振特性研究

颤振特性研究已广泛应用于飞行器设计中。在导弹飞行中,容易发生颤振的部位是舵面与舵机的结合处。使用ANSYS有限元分析软件建立了某型导弹舵面的动力学有限元模型,并应用Block Lanczons求解器对其进行固有模态分析。在导弹亚音速飞行条件下,采用片条理论计算模拟舵面变形诱导的气动力,再将颤振方程转换到以各阶模态振型为基的模态空间上,得到在模态空间下简化的舵面颤振方程。最后应用MATLAB软件编制程序,用V-g法求解舵面颤振方程。对其他战术导弹舵翼面的设计分析具有一定的参考意义。     

高超声速安定面／舵面干扰特性研究

为了改善高超声速乘波体飞行器的稳定性及操作性,针对安定面／舵面组合体的绕流特性进行研究。通过数值求解RANS方程,对Ma=6时安定面／全动舵组合体关键参数对舵效的影响规律进行研究,并对流动机理进行分析。计算结果表明,安定面与全动舵间水平距离、垂直距离是影响舵效的关键参数。分析干扰流场可知,全动舵主要受到安定面尾迹、激波系及翼尖涡的干扰。其中,安定面尾迹对舵面干扰最大,故全动舵应尽量避开安定面尾迹。     

考虑角反射器效应的导弹RCS计算研究

对导弹弹翼进行面元划分,采用物理光学法进行考虑弹翼耦合效应的RCS计算,结合计算弹体后向散射的物理光学法和等效电磁流法,采用综合相位法建立一种考虑角反射器效应的导弹RCS计算方法。对角反射器模型进行计算并与文献对比,验证了算法的正确性。并对导弹模型进行RCS计算与分析,结果表明,弹翼的后向散射和耦合效应对导弹RCS的贡献在大部分角度范围超过弹身的贡献,在导弹进行雷达隐身设计时需要重点考虑。     

导弹飞控系统可靠性仿真研究

提出了在几种主要因素影响下进行飞控系统性能和可靠性一体化分析的方法。建立了风、结构误差(包括弹体质量分布不对称、弹体不同轴、翼面安装角误差和舵面机械零位误差)、推力偏心和硬件故障等因素的扰动模型,给出了可靠性仿真的方法、实施步骤、具体算法流程和相关可靠性指标的计算公式。以某型导弹飞控系统作为案例,进行了大量仿真,分析了风等因素对该系统可靠性的影响。通过算例证明,所建立的扰动模型和可靠性分析方法是正确的。     

涡破裂诱导的垂尾抖振气动弹性分析

通过试验方法分析了三角翼前缘分离涡与垂尾抖振之间的关系,深入研究了尾迹流动对垂尾抖振各阶模态的激励作用。计算得到了垂尾模型固有频率及各阶模态。在风洞试验中,应用激光片光烟流场显示技术,得到了三角翼模型在风速为30 m/s下,各迎角的涡结构;使用加速度传感器测量了垂尾翼根和翼梢的抖振响应;使用热线风速仪测量了垂尾翼根和翼梢位置的脉动速度分量。结果表明:前缘涡破裂后产生的高湍流度的尾迹是垂尾抖振的直接原因,抖振边界与涡破裂的强度和位置有关;涡破裂后尾迹与垂尾产生共振,使得抖振加速度响应频率与垂尾固有频率一致;涡破裂后,在较小迎角下,尾迹对垂尾的高频振动模态的激励较为明显,在较大迎角下,涡破裂流动对垂尾低频振动模态的激励加强了。     

扭曲尾翼飞行器滚转特性

为满足飞行器速度与转速匹配的要求,提出一种对斜置平板尾翼改进得到的扭曲尾翼.根据扭曲尾翼为飞行器提供滚转力矩的特性,在斜置平板尾翼模型的基础上,引入扭曲率与平均攻角来表示扭曲尾翼的几何特征,基于修正型的叶素理论建立四自由度刚体方程描述飞行器运动规律,并与数值仿真方法求解的平衡转速进行对比.计算结果表明:增大扭曲尾翼平均攻角、增加扭曲尾翼的扭曲率、减小翼展长度均能提高飞行器的转速,增加扭曲尾翼的根梢比对飞行器的平衡转速提升不大;在扭曲尾翼平均攻角不变的条件下,飞行器的平衡转速与扭曲率成线性关系.      

旋转天平试验预弯接头干扰研究

目前国内现有的旋转天平试验装置都是使用弧形弯轨的方式,为了获得较大的迎角范围,都采用了预弯接头的设计。小迎角下,预弯接头正好处于模型的尾流区内,预弯接头会对模型的气动力和气动力矩产生一定干扰。本文基于FD-09低速风洞旋转天平试验系统,采用将预弯接头安装到对称的负角度并翻转模型的方法来开展预弯接头干扰试验研究。试验研究表明：在小迎角下,当预弯接头处于模型尾流区内时,预弯接头对模型纵向和横航向气动特性都有干扰;但是其干扰主要是引起气动特性曲线的平移,对旋转导数几乎没有影响。本文提出的将预弯接头安装到对称的负角度并翻转模型的干扰修正方法非常简便,可以为旋转天平试验开展预弯接头干扰修正研究提供一种方便快捷的试验方法。     

不同尾翼灵巧子弹气动特性实验研究

从无伞灵巧子弹稳态扫描的必要条件出发,设计了轴向折叠和径向折叠两种尾翼类型的子弹气动外形。设计了模型和实验装置,进行了小迎角低速风洞实验。获得了模型在固定和旋转条件下的气动力数据,测量了模型在气动力作用下的转速,对模型的稳定性进行了分析。实验结果表明：模型采用轴向折叠尾翼,能够设计足够有效的迎风面积和增阻效果良好的翼面形状,维持较为稳定的转速,具有良好的旋转稳定性;采用径向折叠尾翼的模型,增阻效果不明显,稳定旋转能力较差。实验结果为无伞灵巧子弹的设计提供了重要参考。     

喷流对飞机尾流涡影响的试验研究

飞机产生的尾流涡,特别是大尺度的翼尖涡,对尾随其后的飞行器是非常有害的,本文旨在探索利用飞机发动机产生的喷流加速尾流涡消亡的方法。试验采用简化的飞机模型(有尾翼),建立了包含一对翼尖涡及一对反向旋转的尾翼涡(通过以负迎角安装尾翼得到)的4涡尾流系统。在无外来扰动的情况下,不同的尾翼设置下得到的尾翼涡对翼尖涡的作用效果不同,有的能导致翼尖涡提前消亡,有的则不能。考察了不同强度的喷流对不同4涡尾流系统的影响,且作为对比,对无尾翼(2涡系统)及无喷流下的各种情况也分别作了观测。试验在拖曳水槽中进行,运用体视粒子图像测速(SPIV)技术,观测了与模型拖曳方向垂直的、从机翼后缘到下游约45翼展间均布的一系列切面。结果表明:当喷流直接作用于涡时,其效果主要取决于两者之间的初始距离及相对强度;而当喷流作用于整个4涡尾流系统时,其引入的扰动对不同的系统均能起到一定程度的改善作用,这种作用的关键在于利用喷流优化对翼尖涡进行扰动的机制,而不仅仅取决于喷流的强度。     

旋翼滑流对倾转旋翼机飞机模式下气动特性的影响

建立了考虑旋翼桨叶形状、桨叶片数、桨距和转速等因素的等效桨盘模型,该模型中桨叶对气流的作用被等效为时间平均的源项添加到控制方程中,并通过两个算例验证了模型的有效性。对V-22倾转旋翼机飞机模式高速巡航状态下的全机三维流场进行了数值模拟,分析了旋翼流场特征,定量给出了滑流对气动力系数的影响量。计算结果表明:旋翼滑流明显改变了机翼表面的压力分布,使全机升力系数增大,最大升力系数增量为4.6%;0°迎角下滑流使阻力系数减小了29%,而4°迎角后,滑流使得阻力系数增大,在14°时增量达到了32%;俯仰力矩系数的变化量为4.6%。进一步研究发现,滑流对平尾下表面压力系数分布产生较大影响,而对垂尾影响则较小。      

飞机尾流控制的SPIV实验研究

利用简化的飞机模型,通过改变尾翼的迎角及展弦比,试图建立一种能加速自我消亡的尾流涡系统。该实验在拖曳水槽中进行,运用SPIV（体视粒子图像测速技术）系统进行测量,获得了一系列空间切面的2D／3C（二维／三分量）数据,给出了三种不同尾翼情况（两种有尾翼情况及一种无尾翼情况）下的SPIV观测结果,并将这几种情况作了对比。     

旋翼转速优化直升机的纵向操纵性与稳定性分析

针对不同旋翼转速、桨叶弹簧刚度、平尾面积对旋翼转速优化(OSR)直升机操纵性、稳定性的影响,建立了飞行动力学模型,该模型以自由尾迹计算旋翼入流,考虑了旋翼尾迹对其他气动部件的干扰,最后利用差分法计算直升机的气动导数及操纵导数矩阵.结果表明:旋翼转速的减小,降低了直升机的操纵性,增加了旋翼的迎角稳定性,但增加桨叶根部弹簧刚度则会提高直升机操纵性,同时也会使得稳定性下降;而旋翼转速优化直升机的无平尾设计虽然降低了直升机的纵向稳定性,使得样例直升机处于飞行品质规范ADS-33E中的第3级水平,由此带来的不稳定模态的振荡发散周期较长,并且取消平尾后提高了直升机的操纵性,通过飞行控制系统完全可以抑制,因此无平尾设计方案对旋翼转速优化直升机而言仍然是可接受的.      

低雷诺数下双元素翼帆的襟翼几何参数对其推进特性影响研究

为了研究大型船舶在航行中翼帆对其推进性能的影响规律,本文建立了一种双元素翼帆模型,并采用雷诺平均N-S方程在定常和非定常工况下对襟翼几何参数变化的模型进行数值仿真。结果表明,双元素翼帆气动特性的改变体现了襟翼旋转轴位置、襟翼偏转角以及缝隙宽度之间的非线性耦合作用。襟翼旋转轴位置的前移实际上是增大了缝隙宽度,进而增加了流过缝隙的流体,避免了主翼尾流的流动分离。然而,襟翼旋转轴位置的前移距离也受到襟翼偏转角的限制,在襟翼偏转角为25°、攻角为6°,当襟翼旋转轴位置由90%前移到85%时,襟翼吸力面发生了大尺度流动分离。襟翼旋转轴位置不宜过于靠前或靠后,当相对缝隙宽度为2.4%时襟翼旋转轴位置为85%较为合理。     

四发螺旋桨滑流对某运输机气动特性的影响研究

四发螺旋桨飞机滑流影响区较大,需要准确获得滑流引起的升力、阻力和俯仰力矩特性的变化以评估飞机的飞行性能和品质.采用动力模拟风洞实验研究某运输机在滑流影响下的气动力特性,包括升阻特性、俯仰力矩特性和升降舵效率,并采用七孔探针技术测量平尾区的尾流场特性.结果表明:滑流对气流加速的效应使得飞机的升力、阻力均有增加,升阻比在典型巡航和爬升状态下分别降低了6％和20％;滑流随迎角的增加从下至上扫掠过平尾,使得俯仰力矩和升降舵效率出现明显的非线性变化.