过渡区侧向喷流干扰的并行DSMC数值模拟研究

在高空低密度环境,空间飞行器的控制面效率下降较快,反作用控制系统(RCS)作为改变飞行姿态或轨道的直接力系得到大量应用,为了精确预测高空RCS喷流与稀薄大气的干扰效应,本文建立了直角与表面非结构网格混合结构的DSMC数值算法以及网格自适应算法,保证了碰撞分子是在自适应后的亚网格内选取,提高了计算精度.采用静态随机负载平衡技术构建了并行DSMC代码,计算分析了不同压比条件下的三维平板模型侧向喷流与稀薄大气的干扰流场.计算的复杂流场结构和表面流动特征、分离长度与低密度风洞试验有较好的一致性.在保持来流参数不变的情况下,喷流干扰区的分离长度及喷流透射高度随着喷流压比的增大而增大.随着来流稀薄度的增加,来流对喷流的影响越来越弱,而喷流自身的影响区域却越来越大.     

钝头飞行器高超声速侧向喷流干扰流场特性研究

采用数值模拟方法求解N-S方程,对高超声速钝头飞行器绕流与侧向喷流干扰流场中的流动分离和旋涡特性,及其对喷流干扰区压力分布的影响进行了研究。在中小攻角时喷口前存在干扰引起的主分离涡和二次分离涡,喷口前拐角处还存在另一个调和主分离和喷流的第三个马蹄涡,大攻角时这三个马蹄涡消失,干扰规律与中小攻角不同;表面流谱中小攻角时为典型的双分离线和双再附线结构,主分离和二次分离为典型的闭形分离,大攻角时主分离非常靠前,且为鞍、节点结合的开式分离结构,干扰区内的分离为横向分离流动;不同的干扰流场结构导致中小攻角时主分离激波和喷流弓形激波在压力分布产生两个峰值,主分离马蹄涡和喷口前拐角处马蹄涡则产生两个波谷,随攻角增大分离区扩大,波峰和波谷都前移,峰值下降,大攻角时喷口前马蹄涡消失,压力波谷也消失,实验压力分布也从某种程度上验证了大攻角干扰流场特性与中小攻角差别的合理性。研究表明,在不同的攻角状态下高超声速钝头飞行器绕流与侧向喷流干扰流场分离和旋涡特性有很大的差别,引起喷流干扰区压力分布的明显不同,必然导致对喷流控制效率的严重影响。     

基于多块对接网格的多侧喷流瞬态干扰特性研究

基于无限插值理论和多块网格技术,生成了带多姿控发动机的拦截弹结构体网格。利用非定常N-S方程数值求解技术,计算了大气层内高超音速拦截弹带多个横向喷流的瞬态干扰流场,为拦截弹瞬态多侧向喷流的精确控制力建模提供了理论参考依据。研究结果表明,与单喷瞬态干扰相比,瞬态多侧向喷流干扰延迟效应更明显;多侧喷瞬态喷流尾流对尾翼存在更强干扰现象。     

尾部喷流对飞行器阻力影响的数值模拟分析

底阻在弹类飞行器阻力中占比较大,准确预示底阻对于弹类飞行器飞行性能评估至关重要,而发动机尾部喷流对底阻影响明显。采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的流场仿真方法研究了飞行器底部发动机喷流和外流干扰流场特性,主要分析了喷流对飞行器阻力的影响。飞行器安装了两台推力可调的液体火箭发动机,发动机在不同飞行工况下采用不同推力工作。分别研究了亚音速、跨音速和超音速典型飞行工况下弹体底部无喷流状态、单喷管喷流状态和双喷管喷流状态时,飞行器阻力变化情况。结果表明:不同马赫数下,发动机喷流对底部阻力影响情况基本一致,与无喷流情况相比,当发动机工作时,无论单喷管喷流还是双喷管喷流状态,底部发动机喷流引射效应明显,弹体阻力系数明显增加。     

不同尾翼受发动机羽流作用对弹体飞行性能的影响

针对某型靶弹在试验飞行时采用不同尾翼布局所得的截然不同的飞行结果，开展了固体火箭发动机喷流干扰对飞行器飞行性能影响的研究。结果表明，发动机喷流与发动机推力偏心、偏斜的共同作用将对飞行器飞行姿态和弹道产生影响，且影响程度与飞行器尾布局有很大关系。     

火箭低空级间热分离初期流场特性数值模拟

采用耦合求解轴对称非定常NS方程与一维分离动力学方程的方法,对多级火箭低空级间热分离初期过程进行数值仿真。依据仿真结果描述低空级间热分离初期流场的两种典型结构：内部为喷管扩张段流动分离以及外部为级间缝隙横向喷流与超声速外流的干扰流场;给出两种典型流场结构中位于上面级弹体表面（喷管内）的流动分离点位置以及壁面压力分布随仿真时间的变化;初步估算流动分离线偏斜时内外流动分离区域对上面级弹体的干扰力矩。通过分析数值模拟与力矩估算结果,发现在低空级间热分离内外流场中流动分离激波后方形成的高压区域是上面级所受干扰力矩的重要来源。研究结论可为级间热分离过程干扰机理研究提供理论方向,为级间热分离时序设计提供参考。     

大攻角侧向喷流流场特性及喷流干扰效应

采用HLLC近似黎曼解格式求解N-S方程,对大攻角条件下超音速尖拱细长旋成体导弹的单侧向喷流干扰流场进行了数值模拟.并对喷流流场压力分布、喷口附近流动及流场旋涡结构进行了研究,分析了大攻角对细长旋成体侧向喷流干扰压力分布及干扰因子的影响.研究结果表明,HLLC格式计算复杂流场具有较好的数值稳定性;侧向喷流与来流的干扰总...     

轨控喷流干扰气动—运动一体化非定常数值模拟

针对运动条件对反作用控制喷流控制气动干扰的影响,基于雷诺平均N-S方程,建立非定常气动--运动一体化方法,通过计算流体力学（CFD）/刚体动力学（RBD）耦合求解,对一种采用轨控喷流直接力控制的锥柱裙外形进行了数值模拟,研究了干扰流场结构、力和力矩与飞行器状态随时间变化特性,分析了运动非定常计算和定常计算的对比结果以及外流参数（马赫数,攻角等）变化对气动运动特性的影响。研究结果表明：轨控喷流使飞行器运动时存在强烈的非定常特性,定常计算的法向力放大系数和干扰俯仰力矩大于运动非定常计算结果。     

三维喷流流场中固体颗粒效应的粒子仿真方法研究

采用粒子仿真跟踪颗粒相运动轨迹，采用高效ENO格式求解NS方程，数值模拟了有攻角条件下含颗粒相的横向喷流与超音速物体绕流形成的干扰流场。结果表明上述方法是研究气－相两相流动的有效途径，颗粒相存在对喷流流场结构及物体所受的气动力和气动热具有一定影响。     

点火发动机形成的受限喷流流场数值模拟

从曲线坐标下的气体Ｎ－Ｓ方程出发，采用ＥＮＯ差分格式，对点火发动机工作初期，在固体火箭发动机内腔形成的受限冷喷流流场进行数值模拟，在此基础上，分析了喷流的流场结构及特性。     

飞行器固体火箭助推器设计优化方法比较

综合考虑飞行器总体设计约束、轨道设计、气动特性与固体火箭助推器设计间相互影响的情况下,建立了飞行器固体火箭助推器总体/气动/轨道/动力多学科的系统分析模型和设计优化模型。采用传统设计优化方法和多学科设计优化(MDO)方法进行了固体火箭助推器设计优化。结果表明,固体推进单学科的最优设计不等价于飞行器总体多学科的最优设计;与传统设计优化方法相比,MDO方法一次设计优化就可得到满足飞行器总体设计指标的最优设计,得到内外弹道相匹配的助推器最优推力-时间曲线。传统设计优化方法需要飞行器总体和固体推进学科两个设计优化过程不断迭代协调,容易漏掉满足飞行器总体设计指标的最优设计。采用MDO方法,可提高固体火箭助推器的设计质量,大大减少设计迭代次数,从而缩短设计周期。     

一种针对直接入轨飞行器的主动段轨道快速实现方案

在直接入轨飞行器允许较宽交班范围的情况下，采用离线优化设计轨道保障参数、射前根据发射点和射向对程序角进行修正的方案，将传统的单发设计转化为适应性强的通用设计，减少了轨道设计计算量，缩短了飞行器的射前准备时间。仿真结果表明，所提出的轨道快速实现方法对点位和射向具有较强的适应性，能够有效减小交班点的偏差范围，同时相比优化设计的轨道，终端速度差异较小，在具有一定优化指标的同时可保证在线实施。     

固体发动机推力偏差对导弹级间分离的影响

考虑固体发动机推力偏斜和横移的影响,应用六自由度弹道方程对地空导弹级间分离进行了建模、仿真。对级间分离后主级受控信号被助推级遮挡过程进行了建模分析。仿真计算表明,推力偏斜和横移对分离(或遮挡)过程影响较大;分离时间越晚,过程时间越短;第一个滚转周期内的推力偏差对结果有决定性影响。     

Development of the RFBB “Bargouzine” concept for Ariane-5 evolution

This paper presents the study of a concept of Ariane-5 evolution by means of replacement of two solid-propellant boosters EAP with two liquid-propellant reusable fly-back boosters (RFBBs) called “Bargouzine”. The main design feature of the reference RFBB is LOX/LH2 propellant, the canard aerodynamic configuration with delta wings and rocket engines derived from Vulcain-2 identical to that of the central core except for the nozzle length. After separation RFBBs return back by use of air breathing engines mounted in the aft part and then landing on a runway.The aim of the study is a more detailed investigation of critical technology issues concerning reliability, re-usability and maintenance requirements. The study was performed in three main phases: system trade-off, technical consolidation, and programmatic synthesis. The system trade-off includes comparative analysis of two systems with three and four engines on each RFBB and determination of the necessary thrust level taking into account thrust reservation for emergency situations. Besides, this phase contains trade-off on booster aerodynamic configurations and abort scenario analysis.The second phase includes studying of controllability during the ascent phase and separation, thermo-mechanical design, development of ground interfaces and attachment means, and turbojets engine analysis taking into account reusability.     

固体火箭冲压发动机一体化CAD系统设计

针对固体火箭冲压发动机的特点，研制了固体火箭冲压发动机CAD软件，该软件系统包括了燃气发生器设计、助推补燃室设计、进气道设计、发动机性能计算和飞行弹道的计算。使用该系统可进行固体火箭冲压发动机总体方案论证，预估发动机的主要结构尺寸和发动机的整体性能。本文以一假想的空－空弹用固冲发动机方案设计为例，介绍固冲发动机设计步骤和软件系统的特点。     

运载火箭飞行测量数据奇异点检测和降噪处理的小波方法

以提高火箭飞行测量数据处理精度为主要目的,结合弹道处理的实际,将小波理论运用于火箭弹道测量数据的分析。首先,在对信号奇异性、小波方法检测信号奇异点原理探讨的基础上,通过对火箭飞行外弹道测量数据奇异性的分析,确定了用于火箭飞行数据奇异点检测的小波函数的选取原则,提出了对跟踪测量数据奇异性点准确定位和分析其奇异性类型的方法;其次,为提高处理火箭飞行弹道的光滑度,深入探讨了弹道测量数据的小波消噪方法,结合雷达跟踪测量数据的实际分析和处理情况,就数据是否处于火箭在级间分离段提出了不同的处理方法。该算法原理简捷,计算复杂度较低,易实现。最后,通过对某试测的两个测量站雷达弹道测量数据的分析处理,论证了上述方法的正确性,取得了明显的效果。     

火箭飞行过程中的气动交连影响

本文提出了一种火箭飞行中考虑气功交连的气功力矩线性表达式,从而给出了一组考虑姿态交连的姿态角迭代方程组。该方程能较好的反映实际飞行中各姿态角变化的相互关系,并改进了原有单通道迭代方式,使用此组方程能使弹道计算程序自主进行。     

末修火箭弹抛物线比例导引的特性

基于抛物线比例导引原理,详细分析了弹道修正所需求的脉冲数。结合抛物线比例导引特性,对规定落角进行了理论分析与仿真。结果表明,规定落角越大,脉冲需求数越小,对规定落角的敏感性越大,落点修正距离会越小。提出了确定规定落角的基本原则:弹道修正段前期,规定落角主要由目标点位置决定,可根据火箭结构特点和使用环境特性,采用非线性控制系统确定;弹道修正段末期,规定落角对落点影响较小,可结合战技指标中毁伤效能要求确定。     

皮卫星星箭分离机构运动系统设计

为实现“皮星一号A”卫星无干涉分离,达到分离初始姿态要求,对皮卫星星箭分离机构运动系统进行了分析设计。首先,根据皮卫星与凸轮限位机构间的受力情况和能量守恒定理确定了凸轮轮廓尺寸和分离弹簧结构参数,在此基础上建立了星箭分离过程动力学模型,通过对动力学模型的数值计算确定满足无干涉分离条件的舱门扭簧弹性系数。星箭分离过程的仿真计算和试验校验了“皮星一号A”星箭分离机构可实现无干涉分离,皮卫星初始速度、角速率均满足所提出的各项初始分离姿态要求。     

弹道式飞行器惯性制导机电式方法的研究历史

以分析最初的资料和报告为基础,介绍了前苏联进行的弹道式飞行器沿“刚性”和“柔韧”(自适应)轨迹惯性制导机电方法数学论证和研制方面的历史,叙述了以著名惯导专家伊什林斯基为首的学派研究出的飞行器惯性制导方案在3个方面的实现情况:1)在被称作λ,μ惯性制导泛函形式下,使用视加速度积分陀螺仪,可以不用积分计算仪表而在飞行器本体上构成主要的制导方程;2)主要的制导方程可以转换成被称作α,β惯性制导泛函的形式,在飞行器本体上构成该泛函时完全不需要复杂的计算装置;3)所研究的机电方法不仅能够通过修正所设计的主动段的距离实现在垂直平面内对飞行器质心运动轨迹的单参数修正,也即沿被称作“刚性的”轨迹制导,而且还能对所设计的俯仰转弯角进行修正,也即实现双参数修正,沿着被称作“柔韧性的”轨迹制导.对于使用固体火箭发动机,推力调节有困难的情况,后者具有重要的意义.给出了某些方法的方块图,其中包括最简单的一种一按α,β泛函制导的情况.