航天飞机的空气动力学问题

本系列专题报告,以美国的第一代航天飞机(Space Shuttle)作参考,阐述了航天飞机空气动力学的若干主要问题,诸如:真实气体效应、粘性干扰效应、低密度效应,气动热防护和风洞试验技术等。     

航天飞机的低密度效应——(航天飞机空气动力学问题之三)

美国第一代航天飞机(Shuttle-I)在177千米高度以上飞行时处于自由分子流区(克努曾数 Kn≥10),在83～177千米的高度范围内处于过渡流区(0.001≤Kn≤10)。传统的连续介质空气动力学已不适用了,而要用非连续的稀簿空气动力学。本文简要介绍美国航天飞机研制过程中采用过的蒙特卡罗直接模拟法、粘性激波层法和洛克希德工程计算等理论计算方法。并与风洞试验和飞行试验结果进行了比较和分析。研究结果表明:低密度效应对航天飞机的气动加热、阻力系数和升阻比等气动性能有很大的影响;理论计算与飞行试验的差别随 K_n 数的增大而增大,其差別的原因尚没有确切和满意的解答。对过渡流,目前无论是理论计算还是风洞实验都存在着较大困难。因此必须加强对航天飞机低密度效应的理论和实验研究。     

航天飞机在再入段的亚音速空气动力特性的一种有效算法

本文采用吸力比拟原理,结合基本解的数值计算方法,用来计算航天飞机机翼从小迎角到大迎角(a=0°～30°)的亚音速纵向气动特性;而对零升阻力和机身气动特性,则用工程估算方法计算。由于目前的航天飞机,一般为下单翼的复杂外形翼-身组合体,根据文[9]的原理,可忽略翼-身干扰对纵向气动特性的影响。 本文导得可以计及涡效应的任意平面形状边条机翼的亚音速气动特性的计算公式,亦可计算尖梢机翼的展向升力分布。公式中所需的位流系数可采用涡格面元法进行数值计算来获得,压缩性效应则通过位流系数来计及。 本文计算了多种机翼和航天飞机的气动特性。与实验数据比较表明,本方法具有方法简便、计算快速和计算结果具有设计精度的优点,是计算航天飞机亚音速气动特性的一种有效方法。可供航天飞机初步设计使用,亦可作为航天飞机气动优化设计系统中的子系统。经过适当推导,本方法可推广应用于亚音速前缘的超音速情况。     

航天飞机高超音速大攻角气动力工程估算方法

本文给出了航天飞机轨道器在无粘、无侧滑和不偏舵情况下再入飞行高超音速大攻角气动力计算方法。对复杂的航天飞机外形,本文提出用三角形有限表面面元法来逼近,克服了已有方法中采用平面梯形面元逼近后近似外形有裂缝,有台阶等不连续的缺陷,其结果与实验结果吻合较好,从而证明用三角形表面面元法更为合理。     

航天飞机的气动热——航天飞机的空气动力学问题之四

轨道器的热防护系统是航天飞机研制中的主要技术关键。本文简要地介绍了美国 Shuttle-1航天飞机轨道器研制中所遇到的有关气动热的几个主要问题,包括再入气动热环境的预测、非平衡和表面催化效应、边界层转捩影响、背风面加热和缝隙加热以及激波干扰加热等。并对用风洞试验、工程计算和数值模拟方法所得到的轨道器气动热的预测值与飞行试验的实测结果作了比较和分析。最后对需要开展的航天飞机气动热的研究工作提出了建议。     

带粘性的超音速轴对称进气道流场计算

本文介绍了一种带粘性的超音速轴对称进气道流场的计算方法。使用这种方法,附面层和无粘流场用分开的程序交替地计算,几经迭代,直到前后二次无粘流解的压力分布一致为止。作为验证,本文计算了某型飞机1:7进气道模型带粘性的超音速流场,并与风洞试验结果作了比较。结果表明,带粘性的流场计算比无粘流场计算,可以更准确地预报实际的流场。     

航天飞机驮机空气动力学——航天飞机的空气动力学问题之七

根据美国航天飞机驮机空气动力学的研究结果,本文简要地介绍了轨道器/驮机空气动力学的高阶面元法理论计算,风洞模型试验,仿真和飞行试验。风洞模型试验是建立轨道器/驮机气动数据库的基础,仿真是确定分离程序和训练驾驶员的有效方法,飞行试验是轨道器/驮机的驮运、分离和进场着陆气动性能的最后验证。研究试验表明:飞行试验与风洞试验和仿真结果符合得较好。合理地改装现有大型运输机,可以较好地完成航天飞机轨道器的驮运和进场着陆试验任务。     

航天飞机再入大气层最优轨迹

本文研究航天飞机再人大气层最小气动加热的最优轨迹。文中考虑了地球自转的影响和气动加热、动压、过载对再入飞行的限制。在地心非惯性坐标系中,采用球面速度坐标系建立运动方程。再入点的运动参数是在惯性计算系中给出的,故地心非惯性系的再入参数是经过惯性计算系到非惯性计算系的转换而获得的。文中最优轨迹的性能指标采用气动加热量的最小值,最优轨迹的求解方法采用非线性规划法,即将控制变量参数化,把泛函的极值问题转变成函数的极值问题进行求解,因而可以利用函数优化方法的标准程序进行计算。本文在性能指标中引进了罚函数,并采用Powell方法求解无约束的最优化问题。文中进一步用运动参数描述控制变量,这不但便于初值的选择,而且还便于考虑一些参数变化规律的要求。本方法使用方便,计算结果稳定可靠。     

高速风洞洞壁干扰减小与修正研究

亚跨声速风洞试验的洞壁干扰问题是影响风洞试验结果准确度的一个重要因素。南京航空学院 NH-1高速风洞首先使用了两种可变开闭比风洞壁来减小洞壁干扰,然后发展了一系列用壁压信息法对剩余洞壁干扰效应进行修正的方法。对国内外大量高速风洞实验数据进行了洞壁干扰修正,将降修正结果和 NASA 的非线性修正法结果、自修正风洞(近似无洞壁干扰)实验结果及无洞壁干扰的 N-S 方程计算结果进行了比较。结果表明,本文的修正方法结果正确,而计算量远远小于非线性修正方法的计算量。     

高超声速飞行器表面气动热和粘性摩擦力计算

本文给出了高超声速飞行器表面摩阻和传热系数 (斯坦顿数 )的计算结果。采用两种方法平面切面法亦即二维边界层近似法和工程方法计算了飞行器高超声速绕流的粘性效应 ,并对两种方法的计算结果作了仔细的比较。由文可见 ,对于在稠密大气层内 ,沿轨道运行头速度恒定的高超声速有翼飞行器 ,能够用本文所采用的两种方法计算其表面摩阻和热载荷。此二法可成功地应用于绕复杂形状物体的流动参数计算。     

非结构网格的高超声速粘性MHD流场数值模拟

应用数值方法在非结构网格上对磁场干扰下的二维高超声速钝头体粘性绕流进行了数值模拟。控制方程为N-S方程耦合Maxwell方程的粘性MHD方程组,空间离散采用有限体积方法,对流项用AUSM格式计算,粘性项用中心格式求解,时间推进用显式5步Runge-Kutta格式,引用双曲型散度清除技术加强▽.B=0的条件。计算模型为二维钝头体,在高超声速来流条件下,分别对有、无均匀磁场干扰下的流动进行了数值模拟。计算结果表明,在均匀磁场干扰下,激波脱体距离显著增加,物体表面压力急剧下降。对比表明文中发展的计算方法可以准确地进行二维粘性MHD流场的数值模拟。     

模型自由飞试验——研究航天飞机天气侵蚀问题的必要途径

本文阐明了研究航天飞机天气侵蚀效应的必要性,分析了天气侵蚀试验的模拟条件,论述了模型自由飞模拟试验在航天飞机和其它再入飞行器的天气侵蚀问题研究中的作用,最后对我国开展航天飞机天气侵蚀研究之技术途径提出了一些看法。     

二维不可压内流湍流附面层分离流的预测

本文采用适合于内流的准同时粘性/无粘性流匹配模型,快速求解二维通道内的不可压湍流附面层分离流动。无粘流采用由复变函数论的Plemeli公式推导的面元法;粘性流动区采用Head积分法求解。文中给出了两个算例。结果表明:所采用的准同时粘性/无粘性流匹配模型,不但可有效地克服分离形成的奇异性,而且收敛速度快,稳定性好。在湍流分离阶段,其预测结果与实验值基本吻合。文中还讨论了形状因子及表面摩擦系数关系式对预测结果的影响,形状因子经验关系对预测有比较明显的影响,而表面摩擦系数经验关系对预测无显著影响。文中还提出了改进模型的方向。     

航天飞机的随控布局研究——航天飞机空气动力学问题之六

从60年代后期以来,在飞行器研制中逐渐采用先进的主动控制技术。对于航天飞机,随控布局的主要任务是放宽静稳定性,对静不稳定的航天飞机实现飞行控制,并使共具有良好的飞行品质和性能。航天飞机随控布局设计的主要参数是高超音速下的配平能力、重心后限和操纵面的气动加热。在空气动力学上,主要靠机翼机身的合理布局设计。最佳的随控布局设计比常规设计飞行器的有效载荷有显著的增加,飞行器的净重约可减少10%。     

高超声速马赫反射

通过实验和数值计算模拟了激波（马赫数７．６）绕４０度压缩拐角的流动。实验是在气动中心激波管中完成的，数值模拟采用了层流的Ｎ－Ｓ方程，对无粘项、粘性项和化学源项分别采用了迎风ＴＶＤ格式、中心差分格式和点隐式的方法进行差分离散，计算了平衡与非平衡条件下的马赫反射流动，其数值计算结果与实验结果符合甚好。     

航天飞机用的遥测传感器

航天飞机遥测传感器的基本要求是稳定性好、高度可靠、小型化。本文介绍了航天飞机用的遥测传感器的种类与特点,在总结国外遥测传感器选用情况的基础上提出了作者对于我国航天飞机遥测传感器未来发展的设想。     

弹丸气动力特性计算方法

本文介绍了制导与非制导单独强身亚、跨、超声速有攻角时的升力、阻力特性及压力中心的计算方法。其中超声速波阻采用 Van Dyke 二级扰动理论计算,跨声速波阻用半经验方法处理。其余如摩阻、底阻、粘性分离和旋转带的阻力均用经验方法计算。无粘升力特性,在超声速时用一级横流理论计算,亚、跨声速时采用半经验方法处理,粘性升力特性则全部用经验方法计算。这套方法已软件化,用一个源程序表出。计算结果表明,该方法对尖头、截平头和半球形头部的实际弹形均有相当好的升力、阻力特性计算精度,并能给出合理的压力中心计算结果。     

航天飞机再入大气层三维机动飞行的最大过载和热流峰值

本文研究了航天飞机再入大气层三维机动飞行时所产生的最大过载及驻点的热流峰值,提出了一种计算最大过载及热流峰值的解析方法。在一阶近似运动方程的基础上,建立了最大过载、热流峰值与航天飞机的升阻比、再入角、滚转角等参数之间的解析关系式,由之可简便地确定最大过载与热流峰值。文中分析了升阻比、再入角等参数对过载和热流的影响,并与再入三维轨道精确解的相应值作了对比,表明此种解法具有一定的精度,可供再入三维轨道特性的分析及航天飞机的初步设计阶段使用。     

双拉力螺旋桨构型复合式高速直升机旋翼/螺旋桨干扰流场分析

基于动量源方法建立了针对双拉力螺旋桨构型(X3构型)复合式高速直升机旋翼/螺旋桨干扰流场分析的一个高效数值模拟方法,该方法适用于旋翼/螺旋桨之间相互干扰的计算与分析。在该方法中,旋翼和螺旋桨分别使用动量源代替,对干扰流场采用结构化网格进行划分。首先,进行了孤立旋翼、孤立螺旋桨、旋翼/机身干扰流场的算例计算验证了方法的有效性。然后,应用所建立的方法,着重进行了悬停及前飞状态下双拉力螺旋桨构型复合式高速直升机旋翼/螺旋桨干扰流场的数值模拟,分析了直升机迎角变化对前飞流场的影响,得到了一些关于旋翼/螺旋桨干扰流场的有意义的结论。     

基于无限元方法的直升机外部噪声仿真分析

为了准确地模拟直升机飞行中的外部噪声,建立了耦合计算流体力学/计算气动声学(Computational fluid dynamics/Computational aeroacoustics,CFD/CAA)的直升机机外噪声预测方法。气动计算采用CFD方法模拟旋翼、尾桨气动力以及气动干扰;噪声计算采用声学无限元方法,考虑固体边界的声散射效应和大气传播中的声衰减特性。以AC311A直升机为例,开展适航规范要求下的飞越噪声计算和分析。飞行试验结果对比分析验证了本文方法能够有效地用于直升机机外噪声的评估与分析。最后进行了误差分析,为直升机外部噪声评估算法和仿真模型的优化提供参考。