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。     

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。     

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。     

入水参数对“水漂式”航行体跨介质运动影响数值仿真分析

以"水漂式"跨介质航行体为背景,采用AUTODYN软件建立了不同入水角度,不同入水速度的"水漂式"跨介质航行体的入水模型,通过对数值仿真结果的分析,得到了入水角度、入水速度对出水角度、运动速度及运动轨迹的影响。有效地验证了该"水漂式"航行体功能实现的可能性。结果表明,在同一入水速度下,随着入水角度的增加,出水角增大;在同一入水角度下,随着入水速度的增加,出水角增大。     

变构型跨介质飞行器发展及关键技术分析

变构型跨介质飞行器就是既能满足在水下航行又能满足在空中飞行要求的飞行器,在具备水下航行隐蔽特性的同时也满足在空中飞行的机动性和灵活性要求。变构型跨介质飞行器可以通过改变其翼型结构适用于空气中与水中航行。该飞行器结合了无人机和潜艇的优势,可以实现多次出入水跨介质作业,在军事领域应用于战场关键信息侦察、突防和精确打击,在民用领域应用于海上灾难救援、深海地质探测等。从军事和民用方面分析了变构型跨介质飞行器的优势及用途,总结了国内外变构型跨介质飞行器发展现状,针对性地梳理了关键技术和难点问题,在此基础上提出了技术发展建议,为后续跨介质飞行器研究工作提供支撑。     

跨介质航行器弹性舵翼空化流固耦合仿真分析

跨介质航行器水中航行过程中的流固耦合效应是影响航行稳定性和结构安全性的关键问题。基于径向基函数法和模态叠加方法,开展跨介质航行器水中运动过程中空化流动与结构振动的耦合仿真,对航行器三角型截面舵翼的流固耦合效应进行研究,分析了不同攻角下的空泡形态以及舵翼与空化流动的相互作用。分析结果表明,在来流攻角为2°～6°时,航行器及舵翼几乎被包在超空泡内部。当来流攻角为8°时,舵翼的自由端会穿透空泡界面,使其所受水动力比小攻角条件下大一个量级,振动特征也更为复杂。     

水下垂直发射航行体空泡流动研究

水下垂直发射航行体是工程研制的重要对象之一,水下垂直发射技术是航行体研究的核心与关键。动基座发射与跨介质飞行是水下垂直发射的两个突出特点,特别是在一定条件下出现的空泡现象使得水下垂直发射物理现象异常复杂。鉴于此,系统梳理了水下垂直发射需要关注的问题,介绍了水下垂直发射航行体空泡流研究的主要技术途径和研究手段,探讨了未来的主要发展趋势。     

星载蓝绿激光用于水下导航定位的方法探讨

基于蓝绿激光具有良好透水性以及水下通信可行性基础上,文章提出了一种星载蓝绿激光用于水下定位的方法。设计一个由3颗低轨卫星组成的星座,实现航行器的水下导航定位,并对其定位原理和方法进行了详细说明,分解并分析了影响蓝绿激光水下伪距测量的主要误差源。通过仿真分析表明:3颗星载蓝绿激光卫星可在一个回归周期内同时6次指向指定区域进行观测,在每次卫星过顶时实现最佳目标定位精度。结合各项主要误差影响因素估算出:利用3颗低轨卫星同时采用蓝绿激光水下目标测量,可实现水下航行器定位精度优于百米量级。     

无人水下航行器的发展现状与关键技术

无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)包括遥控水下航行器(Remotely Operated Vehicle,ROV)和自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV),是海洋科学研究、资源开发和维护海洋权益不可或缺的重要装备,日益受到世界海洋国家的高度重视,并竞相大力发展。阐述了国外UUV的发展现状与应用情况,分析了AUV的关键技术及其发展趋势。     

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。     

Optimization of entry-vehicle shapes during conceptual design

During the conceptual design of a re-entry vehicle, the vehicle shape and geometry can be varied and its impact on performance can be evaluated. In this study, the shape optimization of two classes of vehicles has been studied: a capsule and a winged vehicle. Their aerodynamic characteristics were analyzed using local-inclination methods, automatically selected per vehicle segment. Entry trajectories down to Mach 3 were calculated assuming trimmed conditions. For the winged vehicle, which has both a body flap and elevons, a guidance algorithm to track a reference heat-rate was used. Multi-objective particle swarm optimization was used to optimize the shape using objectives related to mass, volume and range. The optimizations show a large variation in vehicle performance over the explored parameter space. Areas of very strong non-linearity are observed in the direct neighborhood of the two-dimensional Pareto fronts. This indicates the need for robust exploration of the influence of vehicle shapes on system performance during engineering trade-offs, which are performed during conceptual design. A number of important aspects of the influence of vehicle behavior on the Pareto fronts are observed and discussed. There is a nearly complete convergence to narrow-wing solutions for the winged vehicle. Also, it is found that imposing pitch-stability for the winged vehicle at all angles of attack results in vehicle shapes which require upward control surface deflections during the majority of the entry.     

基于参数化外形的通用大气飞行器建模与分析

提出了一类翼身组合升力体外形通用大气飞行器(Common Aero Vehicle, CAV)的参数化外形建模方法,采用气动工程预估方法计算CAV的气动系数,拟合得到能用于再入飞行器制导与控制仿真的气动模型,并通过分析,得到该模型静稳定性、气动效率及气动控制特性等方面的结论。结合飞行器再入飞行的运动方程,选取平衡工作点,基于小扰动线性化模型得到系统特征根分布来分析其稳定性,发现固定姿态的滑翔飞行时系统有正半平面极点,需主动控制调节;为了分析机动性,提出了以星下点轨迹曲率求取CAV转弯半径的方法,可快速获取机动性评估与参考指标,结果表明,该模型具有较好的转弯机动能力。     

航行体高速入水问题研究综述

从理论研究、实验研究和数值仿真研究3个方面综述了航行体高速入水问题的研究进展。入水问题研究可分为入水冲击、空泡的形成演化以及入水弹道3个方向。在入水冲击研究方面,概述了入水冲击的理论计算方法、数值仿真方法以及入水冲击实验的研究进展;在入水空泡研究方面,概述了空泡的形成理论与形态演化模型、入水空泡实验以及数值仿真研究成果;在入水弹道研究方面,概述了入水弹道稳定性的实验、数值仿真研究情况。在此基础上,提出了后续入水研究发展重点方向。     

MSL火星探测器高超声速流场预测及气动性分析

为获取火星探测器升力-弹道式进入火星大气层的气动特性,以火星科学实验室探测器（MSL）为研究对象,开展基于有效比热比方法的高超声速流动的数值模拟研究,并建立探测器进入过程的气动性能分析方法。计算分析表明,探测器绕流流场因有效比热比较小而具有很薄的激波层,物面气动力与文献值吻合良好;气动分析表明,对特定飞行状态,质心位置决定配平升阻比和俯仰静稳定度,合理的质心法向偏移和纵向移动可满足探测器的升阻特性和静稳定性,同时给定的配平特性和静稳定性要求也可指导质心位置调整,进而为探测器的气动布局设计和舱内设备布置提供建议。     

可重复使用航天器基于状态估计的再入飞行滑模控制器设计研究

给出了一种可重复使用航天器再入飞行鲁棒控制方法。在给定可用制导指令和干扰、不确定性的上界条件下，综合利用快慢双回路连续滑模控制方法，生成包括气动舵面和反推力控制系统（RCS）发动机的控制指令，得到了在建模误差和外界干扰存在的情况下拥有高精度、鲁棒性和解耦特性的气动角和姿态角速率跟踪结果。滑模控制抖振抑制逻辑利用李亚普诺夫方法，构筑滑模干扰观测器，并依据自适应增益调节思想，有效消除了控制抖振，保证了工程实际应用的能力。以某型可重复使用航天器为例，在考虑到模型不确定性、风扰以及测量噪声的情况下．通过不同的控制律设计结果对比表明，该方法高效、可靠。     

Development of thermal protective seal for hot structure control surface actuator rod

For the Intermediate eXperimental Vehicle (IXV) the deflection of the highly loaded body flap is performed by an actuator system which is connected to the body flap by a rod. Besides the thermal and mechanical loads the sealing of the inner vehicle against the possible leaking hot plasma is an important issue whereby the special challenge for the design results from the spatial movement of the rod. This requires a design consisting of different parts and various materials in order to satisfy the mechanical flexibility and the resistance to the thermal and mechanical loads under the aspect of reusability. This paper describes the MT Aerospace approach for the thermal protection system for the actuator as presented for the critical design review of IXV. The design is presented and described including all necessary performed analysis steps toward such a design.     

充气式再入减速器研究最新进展

随着载人航天事业和行星探索任务的不断发展,再入返回运载工具受到运载火箭整流罩的大小限制越来越明显。针对降低返回系统重量以增加有效载荷的日益需求,一种新型充气式再入减速器成为国际上研究的热点。它具有易折叠包装、重量轻、展开阻力面积大,再入时弹道系数低和产生的气动热量小等明显优点,为航天员应急返回、深空探测以及有效载荷的回收提供了一种新的技术途径。重点对堆叠圆环型、单充气环薄膜型和双层锥形充气囊型等三种充气式再入减速器在结构设计、飞行测试、材料防热研究、气动特性仿真分析等方面的最近研究进展进行总述,并对充气式再入减速器的关键科学问题进行简要总结。     

基于Gauss伪谱法的高超声速飞行器多约束三维再入轨迹优化

高超声速飞行器再入飞行过程中,需要满足多种过程约束和终端状态约束,同时再入初始状态根据飞行任务不同会有较大变化,针对其特点的快速轨迹优化问题已成为当今热点。本文研究了一种基于"初值轨迹生成+Gauss伪谱法+SQP求解NLP"的方法,既利用了Gauss伪谱法收敛快、精度高的特点,又结合初值轨迹生成算法,弥补了Gauss伪谱法对初值敏感的不足。本文在仿真过程中选取再入总吸热量最小为性能指标,求解了满足多种约束的再入轨迹,并将优化的结果与数值积分的结果进行比较,验证了此算法有效性和可行性。     

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。