高压捕获翼构型的跨流域气动特性

高压捕获翼(HCW)构型是一种满足高速飞行器高容积、高升力、高升阻比的设计需求的新型气动布局.最近研究表明,HCW构型能够提高飞行器在连续流区的升力和升阻比,缓解飞行器设计中高容积率与高升阻比间的矛盾.为探究该气动布局在过渡流域(70～100 km)的气动特性,以一种楔—平板组合的高压捕获翼原理性构型作为模型,采用直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法,详细分析了该模型在典型高超声速条件(马赫数20)下的流场结构和壁面气动力/热分布.结果表明,随着飞行高度增加,稀薄效应增强,机体压缩产生的激波厚度增加,激波边缘逐渐模糊,机体与捕获翼之间的开放通道内出现压力干扰.同时,高压捕获翼表面的摩擦系数迅速上升,气动摩擦成为制约捕获翼构型升阻比的重要因素.针对这一问题,分析了捕获翼材料表面的适应系数对飞行器的气动力/热的影响,结果表明,降低适应系数可以显著减小壁面摩擦和热流量,可通过选用适应系数较小的表面材料进一步提高该类飞行器气动性能.     

联接翼气动／结构协同优化设计

联接翼是一种将前翼和后翼连接在一起的飞行器布局形式。针对联接翼气动／结构一体化的布局概念，通过结构有限元参数化建模、结构优化、试验设计和响应面模型技术，采用基于响应面的协同优化算法对其进行了气动与结构一体化设计，所获计算结果对大展弦比联接翼飞机构型初步设计具有参考价值。     

扇翼流动机理数值模拟研究

以扇翼的气动特性(高升力)为关注焦点,对扇翼流动的流场结构细节进行了数值模拟研究。对有推力二维Lockheed C-141超临界翼型进行数值模拟,验证和确认了扇翼流场的数值模拟方法,并数值模拟了扇翼旋转时的流场结构。结果表明,其高升力来源于固定翼部分上表面高速流动的射流,而这种射流正是由叶片旋转带动扇翼内部流体不断加速喷射得到的。扇翼内部的流动是复杂的非定常流动,存在多种尺度的旋涡、湍流边界层及二者的相互干扰等,使气动力高频振荡,进而可以预测相当的气动噪声是不可避免的。将算法应用于扇翼飞行器的外形设计优化阶段,得到了若干构型的气动性能,为下一步开展的无人机研制工作提供了指导。     

侧向喷流的气动增益特性研究

本文实验研究了一种弹翼身组合体构型在亚、跨、超声速，不同动量比以及不同喷口布局条件下的侧向喷流气动增益情况。给出了来流马赫数、喷流动量比、喷口布局等对增益特性的影响。结果表明，马赫数和喷口布局对增益特性均有显著影响，但本文定义的增益因子却基本与动量比无关。此外，对比分析了单独体构型和翼身组合体构型增益特性的差异，进一步揭示了主流、喷流在二者相互作用中的地位和影响。本文结果对认识侧向喷流干扰特性、气动增益、开发高效喷流姿态控制技术等有一定参考意义。     

曲面形栅格翼气动特性研究

与常规栅格翼布局相比，曲面形栅格翼布局减小了栅格翼翼元的等固壁通道的长度，从而有效降低了翼元内气流的壅塞，另外，这种栅格翼布局结构简单，易于折叠，减小了飞行器的轮廓尺寸，具有很好的工程应用前景。本文通过数值模拟方法，在亚、跨、超声速条件下，研究了曲面形栅格翼布局的减阻效果和减阻机理，对比了曲面形栅格翼和常规后掠形栅格翼布局的减阻效果，并对不同迎风方式的曲面形栅格翼气动特性进行了分析。     

一种新的变前掠翼无人机气动布局

研究了一种新的变前掠翼无人机气动布局概念,在低、亚、跨和超声速状态下可通过改变机翼的前掠角来获取最佳的气动性能。根据设计指标和翼身融合技术初步设计了其几何外形,并采用三维Navier-Stokes方程数值模拟和对比分析了5种不同任务构型的气动特性。结果表明：①在Ma=0.6巡航时,平直翼加挂副油箱构型最大升阻比为14.55,而三角翼构型仅为8.29;②在Ma=0.4机动时,45°前掠翼构型失速迎角达到38°且具有最大的升力系数2.455,较平直翼构型提高了4.9%;③在Ma=1.5高速突防时,三角翼零升阻力系数最小,比平直翼加挂副油箱构型减小了14.4%,最大升阻比提高了34.6%;④所有计算状态下俯仰力矩特性均良好。研究结果验证了变前掠翼无人机气动布局新概念的合理性和先进性,可为高性能无人机的设计提供参考。     

有翼再入飞行器气动外形集成设计优化

气动外形设计是有翼再入飞行器（RV-W）的关键技术之一。分析了气动参数对再入飞行性能的影响,探讨了有翼再入飞行器气动外形设计的规律和准则。基于上述设计准则,以类X-37B飞行器为研究对象,集成几何参数化建模、气动力、气动热、热防护等学科快速分析方法,采用多学科设计优化方法,以最优气动特性为目标对飞行器气动外形进行了优化;得到优化气动外形后,对飞行器热防护系统（TPS）进行了轻量化设计优化。结果表明,优化外形的气动特性相比初始外形得到了较大的提升,设计优化得到的热防护系统重量占比（8.7%）优于同类飞行器的热防护系统重量占比统计数据,说明了本文有翼再入飞行器气动外形集成设计优化方法的有效性,可为同类飞行器提供参考。     

吸气式高速飞行器一体化方案：回顾与展望

通过梳理吸气式高速飞行器一体化发展脉络，回顾和分析了技术验证、实用化和未来重复使用阶段飞行器一体化方案的主要研究内容和关键进展。在技术验证阶段，设计者针对轴对称构型和升力体构型提出多种一体化方案及对应设计方法，有力支撑了高速飞行技术验证，丰富了一体化设计理论。在实用化阶段，高速飞行技术工程应用对一体化提出严苛的约束，一体化主要解决流量捕获、设备装载和升阻比之间的矛盾，逐渐形成腹部进气布局一体化方案。针对未来重复使用飞行器，更多样的动力模式、更复杂的气动外形对一体化设计提出更高要求，高效、宽范围的动力系统、高度一体化的翼身融合构型、更优的进气布局方案是吸气式高速飞行器一体化设计的重要发展方向。     

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。     

无强波构型理论发展现状研究

本文引入了一种由Busemann超声速双翼理论发展而来的无强激波构型,该构型可明显消弱超声速飞行时带来的波阻和声爆。文中分析了无强波构型的机理和气动特性,介绍了该构型理论研究和应用研究进展,并探讨了该构型在超声速飞行器设计应用中的关键性问题。该理论为未来低声爆超声速飞机的设计提供了一个全新的思路,是未来超声速/高超声速飞行器发展必要的技术基础。     

超声速细长飞行器前置小翼展开过程的非定常特性

针对大长细比飞行器外形超声速大迎角条件下前置小翼展开过程引起的非定常问题,应用结构动网格技术和基于脱体涡模拟（DES）的非定常数值模拟技术进行了研究,获得了详细的小翼展开过程流场结构非定常变化特性,并分析了小翼展开引起的法向力、纵向压心系数等气动特性随展开角度的变化规律。研究结果表明：超声速大迎角条件下前置小翼展开过程对小翼附近区域以及尾舵区域产生了强烈的干扰影响。小翼完全展开后,压心前移4.1%,降低了飞行器静稳定性,法向力系数增加15.6%,提高了气动过载,对飞行器机动性能均产生有利影响。     

Supersonic biplane—A review

One of the fundamental problems preventing commercial transport aircraft from supersonic flight is the generation of strong sonic booms. Sonic booms are the ground-level manifestation of shock waves created by airplanes flying at supersonic speeds. The strength of the shock waves generated by an aircraft flying at supersonic speed is a direct function of both the aircraft’s weight and its occupying volume; it has been very difficult to sufficiently reduce the shock waves generated by the heavier and larger conventional supersonic transport (SST) configuration to meet acceptable at-ground sonic-boom levels. It is our dream to develop a quiet SST aircraft that can carry more than 100 passengers while meeting acceptable at-ground sonic-boom levels. We have started a supersonic-biplane project at Tohoku University since 2004. We meet the challenge of quiet SST flight by extending the classic two-dimensional (2-D) Busemann biplane concept to a 3-D supersonic-biplane wing that effectively reduces the shock waves generated by the aircraft. A lifted airfoil at supersonic speeds, in general, generates shock waves (therefore, wave drag) through two fundamentally different mechanisms. One is due to the airfoil’s lift, and the other is due to its thickness. Multi-airfoil configurations can reduce wave drag by redistributing the system’s total lift among the individual airfoil elements, knowing that wave drag of an airfoil element is proportional to the square of its lift. Likewise, the wave drag due to airfoil thickness can also be nearly eliminated using the Busemann biplane concept, which promotes favorable wave interactions between two neighboring airfoil elements. One of the main objectives of our supersonic-biplane study is, with the help of modern computational fluid dynamics (CFD) tools, to find biplane configurations that simultaneously exhibit both traits. We first re-analyzed using CFD tools, the classic Busemann biplane configurations to understand its basic wave-cancellation concept. We then designed a 2-D supersonic biplane that exhibits both wave-reduction and cancellation effects simultaneously, utilizing an inverse-design method. The designed supersonic biplane not only showed the desired aerodynamic characteristics at its design condition but also outperformed a zero-thickness flat-plate airfoil. (Zero-thickness flat-plate airfoils are known as the most efficient monoplane airfoil at supersonic speeds.) Also discussed in this paper is how to design 2-D biplanes, not only at their design Mach numbers but also at off-design conditions. Supersonic biplanes have unacceptable characteristics at their off-design conditions such as flow choking and its related hysteresis problems. Flow choking causes rapid increase of wave drag and it continues to be kept up to the Mach numbers greater the cruise (design) Mach numbers due to its hysteresis. Some wing devices such as slats and flaps, which could be used at take-off and landing conditions as high-lift devices, were utilized to overcome these off-design problems. Then supersonic-biplane airfoils were extended to 3-D wings. Because that rectangular-shaped 3-D biplane wings showed undesirable aerodynamic characteristics at their wingtips, a tapered-wing planform was chosen for the study. A 3-D biplane wing having a taper ratio and aspect ratio of 0.25 and 5.12, respectively, was designed utilizing the inverse-design method. Aerodynamic characteristics of the designed biplane wing were further improved by using winglets at its wingtips. Flow choking and its hysteresis problems, however, occurred at their off-design conditions. It was shown that these off-design problems could also be resolved by utilizing slats and flaps. Finally, a study on the aerodynamic characteristics of wing-body configurations was conducted using the tapered biplane wing. In this study a body was chosen in order to generate strong shock waves at its nose region. Preliminary parametric studies on the interference effects between the body and the tapered biplane wing were performed by choosing several different wing locations on the body. From this study, it can be concluded that the aerodynamic characteristics of the tapered biplane wing are minimally affected by the disturbances generated from the body, and that the biplane wing shows promise for quiet commercial supersonic transport.     

超,高超声速机翼俯仰导数的欧拉方程摄动解法

应用片条理论，将文献（１）的尖前缘任意翼型的俯仰稳定性导数的计算方法作、推广、用于计算任意平面形状的三维机翼。在各种特殊的情况下，其计算结果与现有的理论都符合得很好。在激波附体的条件下，本文的计算方法可用于计算任意迎角。任意平面形状机翼的超、高速声速俯仰稳定性导数。     

伸缩弹翼巡航导弹气动外形优化研究

基于一种伸缩弹翼改变巡航导弹外形的概念,提出超声速巡航与亚声速盘旋相结合的飞行任务,使用Missile Datcom作为气动计算的工具,分别对固定翼、两级伸缩翼和三级伸缩翼的外形参数进行了优化,使三种不同弹翼导弹完成相同飞行任务的燃料消耗分别最小,优化方法选取遗传算法与模式搜索法相结合的混合优化策略.优化结果显示,两级、三级伸缩翼巡航导弹相对固定翼巡航导弹燃料消耗量分别减少7.8%和12%,表明伸缩弹翼有效提高了巡航导弹在整个飞行任务中的气动性能.     

新型无尾联接翼布局气动特性研究

提出一种上下错开的无尾联接翼,即前翼或者后翼上反一定角度,使得前后翼垂直方向的相对距离从翼根处开始到翼梢处逐渐增大,以达到减小前后翼气动干扰的目的,搭接的小翼具有翼梢小翼作用,可有效减小诱导阻力。采用基于RANS方程的数值方法,研究了前后翼分别上反10°,20°和30°时对总体气动特性的影响,结果表明,当前翼上反且上反角为30°时其联接翼系统气动性能最佳。对该联接翼布局在Ma=0.85,0.95和1.20下进行了数值分析,结果表明,其升力系数变化较小,阻力系数在Ma0.85后才急剧增大,有应用于未来跨声速/超声速客机布局的潜力。     

亚超音速机翼最佳弯扭综合设计计算方法

本文介绍一种亚超音速机翼最佳弯扭综合设计的计算方法,它应用了有限基本解方法。分别在亚超音速各选取一个设计点(M数和C_L),进行机翼弯扭设计,其目的是减小与升力相关的阻力。在此基础上,顾及亚音速和超音速这两个设计点的气动力特性,还要兼顾到飞机其它性能和结构上实现的可能性,进行机翼的综合设计。本文分别给出了亚音速最佳弯扭设计,超音速最佳弯扭设计和综合设计的计算结果。经过分析表明,计算结果是合理的。     

超音速运输机的技术发展前景

概要介绍了第一代超音速运输机的发展情况，阐述了新一代超音速运输机的有关技术，包括主要设计参数、气动布局设计、结构设计与材料、动力装置及经济性等方面，展望了未来超音速运输机的发展前景。     

绕侧滑锥体,三维机翼与机身的超音速非线性全位势流计算

本文在Grossman的非守恒全位势方程的方法中,提出以固定网格为基础的头激波安装法,节省计算机时。计算结果与实验和欧拉方程解符合很好,与线化理论结果的比较,显示了线化理论的不足。     

用全位势方程计算机翼的亚声速,跨声速和超声速绕流

对大后掠小展弦比细长机翼,本文对机翼纵轴垂直的每一横流截面生成O型网格,形成对机翼流场的H-O型网格,用守恒型全位势方程、差分和隐式近似因式分解迭代算法计算绕机翼的可压缩位流。自由流可从亚声速直到低超声速的全部跨声速范围。本算法要求机翼前缘有大后掠角,后缘可稍许后掠或前掠。本文算例表明,所研制的计算程序已可提供工程实用。     

低反动度高负荷超声速轴流压气机气动设计方法

对超声速轴流压气机的发展历程进行了总结,分析了两类传统超声速压气机内部流动特点及其所存在的流动问题,并对未来超声速压气机的发展提出了展望.针对超声速压气机内部流动特点,提出了一种新的低反动度高负荷超声速轴流压气机气动设计原理.该原理可有效避免在动叶中进行流动控制,同时降低动叶出口绝对马赫数,并结合附面层抽吸控制静叶栅内部流动,最终实现级的高负荷气动设计.利用该原理进行设计验证,三维黏性数值模拟结果表明:在叶尖切线速度为360m/s的前提下,实现了2.3的级压比,级效率为86.5%.