高超声速飞行器结构热防护技术现状综述

随着航空航天技术的飞速发展,高超声速飞行器的研制日益受到各国的重视,飞行器以高超声速飞行时带来的热防护问题成为结构设计中的关键制约因素和主要技术瓶颈。本文简要介绍了高超声速飞行器的现有热防护基本形式;针对其不同部位的受热环境,重点分析了热防护形式及热防护材料的选择方法;并对未来高超声速飞行器热防护技术的发展趋势进行了展望。     

高超声速全机外形气动加热与结构传热快速计算方法

发展了一种无黏流场解与工程计算方法相结合的高超声速全机外形气动加热与结构传热快速计算方法。该计算方法结合了三维块结构网格无黏流场数值计算技术可处理复杂外形流动的优点与工程计算方法效率高的特点,将气动热的计算简化为绕飞行器的无黏外流(边界层以外)数值解和边界层内热流求解两个部分,同时耦合了防热结构传热计算模型、高温化学非平衡热效应估算方法以及弹道状态动态插值方法,可用于快速计算与分析三维复杂外形高超声速飞行器在弹道飞行状态下全机热环境参数、防热结构内温度场等随飞行时间的变化特性。以RAM-CⅡ、类Ⅹ-37B等典型高超声速飞行器为研究对象,在设定的飞行条件及热防护方案下,进行了气动加热与结构传热问题的求解,给出了全机表面热流密度与防热结构材料温度的时变特性。结果对比表明,所发展的方法具有快速、高效的特点,且计算精度可满足工程设计初期选型需求,可为高超声速飞行器的热防护系统初期设计及热环境特性快速计算分析提供技术支持。     

高超声速飞行器气动加热三维数值分析方法研究

高超声速飞行器处于高空高速飞行环境,表面气动加热现象十分严重.有效预测并降低飞行器的表面温度,对防热材料和结构提出要求是高超声速飞行器设计的一个关键问题.采用三维N-S方程、Mac-Cormack中心差分格式对类乘波体构型的高超声速飞行器全机气动加热进行了数值研究.分析了不同马赫数来流对气动加热的影响.研究结果表明,采...     

面对称高超飞行器几何参数与总体性能相关性研究

气动技术是高超声速飞行器的重要支撑技术,气动布局的选择与确定是影响飞行器总体方案论证的重要因素.以一类面对称滑翔飞行器为研究对象,采用针对高超声速飞行器的快速工程算法,建立参数化外形的气动数据库,实现由气动布局要素到总体性能指标的映射,并通过数据分析方法,如相关性分析、灵敏度分析等,梳理出影响高超声速滑翔飞行器不同总体性能的关键气动外形几何参数,并进行相关性排序,研究结果可指导高超声速滑翔飞行器的布局设计及优化.     

高超声速飞行器结构热问题讨论

热防护设计是高超声速飞行器结构设计中的一个关键问题.从高超声速飞行器的特点出发.分析介绍了热载荷的成因及特点;讨论了飞行器热环境的一些计算方法;分析研究了目前高超声速飞行器的各种热防护系统结构,其中,对被动热防护结构的特点及应用情况进行了较详细的研究对比;分析说明了高超声速飞行器结构热防护的发展方向.     

热气动弹性变形对飞行器结构温度场的影响研究

气动加热造成的结构温升可能造成飞行器结构失效从而带来安全隐患。准确预测结构温度场在高超声速飞行器热防护系统与结构设计中显得尤为重要。气动热与传热耦合是提高结构温度场预测精度的有效手段,经长期研究与发展,不管是耦合方法研究还是实际工程应用都已开展了大量工作。但这些研究工作均未考虑结构变形对气动加热和结构温度场的影响。而在实际飞行过程中,特别是长时间飞行后,结构变形对结构温度场的影响往往是不能忽略的,对气动力/热环境也都有直接的影响。本文以飞行器静热气动弹性计算方法为基础,对高超声速飞行器机翼模型进行了考虑热气动弹性变形影响的气动热与传热耦合计算,并与不考虑变形对热环境影响情况的计算结果进行了对比分析。结果表明,虽然对于大面积区域变形对气动热/结构温度场的影响较小,但对于热防护结构重点关注且精度要求较高的前缘驻点附近区域计算结果变化明显。由此,也说明了考虑弹性变形对结构温度场预测的重要性。该研究工作为进一步提高飞行器结构温度场预测精度和结构热安全性能评估能力奠定了基础。     

高超声速飞行器纵向飞行稳定域与迟滞分析

针对滑翔式高超声速飞行器纵向失稳问题,基于连续算法和分岔理论,求解并分析了特征点单参数分岔图、平衡分支的稳定性和突变点,得出在大迎角飞行时存在较为严重的失稳现象;最后分析了多吸引点和迟滞效应现象.研究结果表明,滑翔式高超声速飞行器在大迎角飞行时存在严重失稳、多吸引域和复杂迟滞运动.此结果在实现飞行器稳定飞行和控制器设计方面具有很好的参考价值.     

热防护材料表面催化特性研究进展

随着高超声速飞行器的发展,高焓离解环境下热防护材料所承受的气动热载荷在很大程度上受到材料表面催化特性的影响。根据高焓服役环境特征和热防护材料表面催化特性的发展现状,重点综述了材料表面催化反应机理和不同尺度的催化模型,分析、比较了催化特性地面测试与评价方法以及典型热防护材料表面催化特性的影响因素,简要总结了国内现阶段相关催化特性研究的初步成果,并在此基础之上提出了催化特性测试与表征方法的不足和后续研究的重点方向,为有效改进热防护材料表面催化特性试验测试技术、准确预测高超声速飞行器气动热环境,从而实现热防护系统的精细化设计提供指导。     

局部催化特性差异对气动热环境影响的计算分析

高温气体非平衡效应及其壁面催化效应对高超声速飞行器气动热环境造成显著影响,是当前高超声速飞行器气动热环境预测和热防护设计的关键问题之一。考虑高温空气离解与电离等化学反应、气体分子热力学激发、流动中的非平衡效应和壁面催化效应,通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程和壁面处质量、能量平衡关系,完善了高温气体热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法和计算程序,采用典型算例进行了考核验证。在此基础上,开展了不同条件下高超声速飞行器热化学非平衡流场气动热环境数值模拟,分析局部催化特性差异对气动热环境的影响。研究表明：所建立的高超声速飞行器热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法及程序,其数值模拟结果与飞行试验、文献符合;局部催化特性差异会导致热流跳变,其热流跳变量与催化特性差异量、材料分布方式等有关;催化特性差异较大时,局部区域热流可能远远高于飞行器全表面完全催化的热流结果,此时将飞行器在全表面完全催化（FCW）和完全非催化（NCW）条件下的数值模拟结果作为实际飞行过程中表面热流的上、下限这一简化处理方式,是不可取的。     

高超声速飞行器高温流场数值模拟面临的问题

随着高超声速飞行器目标光辐射和电磁散射特性研究的发展和深入,高温流场特性日益引起人们的关注。由于高温流场特性研究中涉及到非常多的复杂气动现象,如气动加热、烧蚀、辐射、燃烧、化学反应以及湍流等,因此其数值模拟面临着诸多挑战。这里基于连续流计算流体力学(CFD)技术和稀薄气体蒙特卡罗直接仿真(DSMC)方法,从化学物理模型建模、方法稳定性与数值求解效率出发,分析了高超声速飞行器外部绕流、尾迹和发动机喷焰三方面的流场特性数值模拟在不同弹道、热防护手段和飞行流域环境下所面临的问题。在此基础上提出了数值求解技术和化学物理模型建模今后需要发展的方向,为有效提高高超声速高温流场特性数值模拟效率、增加流场特性预测精度提供了指导,从而为研究流场对高超声速飞行器目标光辐射和电磁散射特性影响提供有效的基础数据。     

螺旋俯冲机动突防的制导律设计

针对识别和拦截技术高度发展所带来的突防难题，提出高超声速滑翔飞行器（HGV）螺旋俯冲机动突防的概念，并为此设计了一种基于虚拟滑动目标的自适应比例导引律。首先，通过分析HGV绕目标飞行的运动学特性，建立对数型的螺旋运动模型，以该模型为基础利用曲线渐伸线原理设计虚拟目标的滑动轨迹。然后，采用包含时变附加项的比例导引律追踪虚拟目标，从而实现引导HGV进行螺旋俯冲机动以及对真实目标的打击。接着，为提高虚拟目标的跟踪精度以及抵抗外部干扰的能力，设计了制导参数的闭环非线性自适应律，能根据当前偏差在线选择制导参数值。此外，还分析了满足收敛条件的制导参数的取值范围以及其进入闭环更新的策略。最后，分别针对静止目标和低速移动目标进行数值仿真验证，结果表明所设计的制导律不但能够引导HGV实施螺旋俯冲机动，还能够准确地命中目标。     

微阵列射流冲击肋化表面传热特性

以去离子水为工质,对微阵列射流冲击光滑和肋化表面的传热特性进行了实验研究,并以光滑表面传热性能为基准,讨论了肋化表面强化因子(ε)变化规律.实验结果表明:①浸没和自由射流的传热系数均受无量纲射流距离(H/d)影响;提高射流Re数和减小无量纲孔间距(S/d)都能够增强换热.②浸没射流ε受H/d影响大,而自由射流ε基本不受H/d影响;两种射流方式的ε都随Re数增大,且渐趋于一个常数.③对流热阻在各种射流情况下均随流量不断下降,但下降趋势逐渐平缓,当流量大到一定时,热阻基本不再降低.      

基于阻尼补偿的直流发电机带恒功率负载系统稳定性分析

提出了一种提高基于阻尼补偿的直流(DC)发电机带恒功率负载(CPL)系统稳定性的方法.依据输入滤波器输出阻抗极大值最小原则对基于阻尼补偿的直流发电机带恒功率负载系统输入滤波器参数进行了最优设计,给出了设计方法和流程.运用Bode图和Nyquist曲线对基于阻尼补偿的直流发电机带恒功率负载系统进行稳定性分析,并与在输出端...     

Effect of Fading on FM Reception with Cochannel Interference

The combined effect of cochannel interference and nonselective Rayleigh fading on the reception of analog FM signals in additive Gaussian noise is analyzed. Rice's click model for the breaking region is used. Analysis in the absence of interference is performed first and the effect of modulation on the click rate is found to be nearly negligible. For the case with cochannel interference the click rate is computed in the absence of modulation. Curves are given for detected signal-to-noise ratio (SNR) versus carrier-to-noise ratio (CNR) with signal-to-interference ratio (SIR) as a parameter and SNR versus SIR with CNR as a parameter. The results agree well with recently published results of a simulation study.     

Sequential ensemble optimization based on general surrogate model prediction variance and its application on engine acceleration schedule design

The Efficient Global Optimization (EGO) algorithm has been widely used in the numerical design optimization of engineering systems. However, the need for an uncertainty estimator limits the selection of a surrogate model. In this paper, a Sequential Ensemble Optimization (SEO) algorithm based on the ensemble model is proposed. In the proposed algorithm, there is no limitation on the selection of an individual surrogate model. Specifically, the SEO is built based on the EGO by extending the EGO algorithm so that it can be used in combination with the ensemble model. Also, a new uncertainty estimator for any surrogate model named the General Uncertainty Estimator (GUE) is proposed. The performance of the proposed SEO algorithm is verified by the simulations using ten well-known mathematical functions with varying dimensions. The results show that the proposed SEO algorithm performs better than the traditional EGO algorithm in terms of both the final optimization results and the convergence rate. Further, the proposed algorithm is applied to the global optimization control for turbo-fan engine acceleration schedule design.     

基于CFD高精度算法的雷电电磁场研究

雷电空间电磁场一直是电磁领域研究的热门，成熟的算法例如有限时域差分法（FDTD），传输线矩阵法（TLM）以及频域的矩量法（MoM）在计算雷电问题方面都有广泛的应用。由于计算流体力学（CFD）中的Euler方程与电磁学中的Maxwell方程有着相同的守恒形式，而且采用间断伽辽金方法（DG）已经在流场问题上得到广泛的尝试，因此引入了基于计算流体力学的DG方法来离散时域Maxwell方程，并采用网格分区并行技术加速计算，使用基于DG的圆球雷达散射截面积（RCS）算例进行测试，数值结果一致表明DG算法在求解电磁场问题上的可行性，之后通过计算一段近场雷电通道的电场分布并与解析解、某算法仿真解对比，数据基本吻合，说明该方法适合于雷电电磁场的计算。     

Influence of aircraft surface distribution on electromagnetic scattering characteristics

In this paper, two typical stealth aircraft concepts (wing fuselage blended and flying-wing) were designed. Then three gradually changed surface distribution models with the same plan-form for each concept were created. Based on the multilevel fast multipole algorithm (MLFMA), the vertical polarization transmitting/vertical polarization receiving (VV) and horizontal polariza-tion transmitting/horizontal polarization receiving (HH) radar cross section (RCS) characteristics were simulated with five frequencies between 0.1 and 1.0 GHz. The influences and mechanisms of aircraft surface distribution on electromagnetic scattering characteristics were investigated. The results show that for the wing fuselage blended concept, the VV RCS of this frequency range is higher than the HH RCS in most cases, while it is just the opposite for the flying-wing concept. As for the two aircraft concepts, the RCS levels of HH and VV both decrease with the frequency increasing, but the HH RCS has a faster downward trend. The surface distribution has little influ-ence on HH RCS characteristics. On the contrary, it has a significant impact on VV RCS charac-teristics, and the amplitude of the VV RCS increases with the surface thickness.     

A fault diagnosis model based on weighted extension neural network for turbo-generator sets on small samples with noise

In data-driven fault diagnosis for turbo-generator sets, the fault samples are usually expensive to obtain, and inevitably with noise, which will both lead to an unsatisfying identification performance of diagnosis models. To address these issues, this paper proposes a fault diagnosis model for turbo-generator sets based on Weighted Extension Neural Network (W-ENN). W-ENN is a novel neural network which has three types of connection weights and an improved correlation function. The performance of the proposed model is validated against Extension Neural Network (ENN), Support Vector Machine (SVM), Relevance Vector Machine (RVM) and Extreme Learning Machine (ELM) based models. The results indicate that, on noisy small sample sets, the proposed model is superior to the other models in terms of higher identification accuracy with fewer samples and strong noise-tolerant ability. The findings of this study may serve as a powerful fault diagnosis model for turbo-generator sets on noisy small sample sets.     

The Ultraviolet Spectrograph on NASA’s Juno Mission

The ultraviolet spectrograph instrument on the Juno mission (Juno-UVS) is a long-slit imaging spectrograph designed to observe and characterize Jupiter’s far-ultraviolet (FUV) auroral emissions. These observations will be coordinated and correlated with those from Juno’s other remote sensing instruments and used to place in situ measurements made by Juno’s particles and fields instruments into a global context, relating the local data with events occurring in more distant regions of Jupiter’s magnetosphere. Juno-UVS is based on a series of imaging FUV spectrographs currently in flight—the two Alice instruments on the Rosetta and New Horizons missions, and the Lyman Alpha Mapping Project on the Lunar Reconnaissance Orbiter mission. However, Juno-UVS has several important modifications, including (1) a scan mirror (for targeting specific auroral features), (2) extensive shielding (for mitigation of electronics and data quality degradation by energetic particles), and (3) a cross delay line microchannel plate detector (for both faster photon counting and improved spatial resolution). This paper describes the science objectives, design, and initial performance of the Juno-UVS.     

海上动态条件下静电陀螺监控器启动技术

静电陀螺监控器在航天测量船列装是该设备在国内首次被应用于大型水面舰艇。在此之前其设计方案以及启动策略全部针对于水下舰艇,对于航天测量船而言没有任何经验可以借鉴。因此,探索静电陀螺监控器在海上动态条件下的高精度启动技术成为了当前该设备在航天测量船应用中的主要问题。针对该问题,通过分析静电陀螺监控器启动的关键过程,结合设备工作原理,重点对海上动态条件下静电陀螺监控器的启动技术和相关参数进行了研究,实现了静电陀螺监控器在海上动态条件下的高精度启动。该技术目前已经成熟并且成功应用于测量船测控任务。