基于B样条的平流层飞艇外形优化设计

为改善飞艇气动性能,提高推进系统的效率,增加飞艇承受有效负载的能力并延长其运行时间,将飞艇艇体气动阻力和艇体表面积两个主要因素引入到平流层飞艇外形优化设计中,建立了复合目标函数,在飞艇体积不变的前提下,采用EXTREM数值优化算法,对平流层飞艇外形基于B样条曲线参数化方法在体积和长度不变的限制条件下,进行了双目标优化设计,优化后,外形的气动阻力减小了7.12%,同时飞艇艇体表面积也减少了1.76%。文章的研究结果实现了减阻和减重的双重目标,证明了该方法是合理可行的,可为平流层飞艇总体设计提供相关参考。     

带辅助安定面平流层飞艇的航向静稳定性分析

为增强平流层飞艇航向静稳定性，在不显著增加飞艇重量前提下，提出一种带辅助安定面的飞艇气动布局。建立飞艇计算模型，数值模拟飞艇在不同侧滑角、俯仰角下航向静稳定性及气动阻力特性，并与未集成辅助安定面的飞艇进行对比，最后分析辅助安定面面积对航向静稳定性的影响。结果表明：带辅助安定面的飞艇气动布局具有较好的航向静稳定性。相同条件下，随着侧滑角增大能够更快地达到航向稳定；在30°侧滑角，辅助安定面与尾翼面积比值大于0.05时，偏航力矩系数由无辅助安定时-0.8增加为正；辅助安定面面积越大，偏航恢复力矩越大，航向静稳定性越好。     

化学非平衡效应对返回舱再入气动力特性的影响

高空高马赫数条件下,化学非平衡效应将对飞行器气动特性产生影响,影响飞行器气动布局优化和飞行弹道设计。文章通过三维化学非平衡流动求解程序,针对再入返回器开展数值研究与机理分析,通过对比完全气体模型和化学非平衡气体模型获得的气动力参数,揭示化学非平衡效应对流场结构和气动力特性的影响和规律。结果表明,对Apollo的气动力计算结果验证了模型和计算方法;化学非平衡效应影响下,激波层内化学反应消耗大量能量,致使激波脱体距离减小,气体压缩性增强;典型状态高度为70 km,Ma=30条件下,化学非平衡效应导致返回器升力系数增大约6%、阻力系数增大约1.3%～3.3%、升阻比增大3%左右、俯仰力矩系数增大,从而使配平攻角减小约2.5＆#176;;通过机理分析,发现化学非平衡效应影响下表面压力系数发生变化的原因是飞行器周围激波形状及驻点压力改变,表现为气体沿流线经激波层、压缩区和膨胀区的历程变化;对于钝体形状的返回器,迎风面前体压力系数增加和后体压力系数降低,造成轴向力和法向力系数增大。     

全速域可变形飞行器气动布局设计及试验研究

为了解决大空域、宽速域水平起降可重复使用飞行器的气动适应性问题,设计了一种满足高超声速巡航飞行性能的飞行器,为解决该种飞行器地面水平起飞和高速巡航飞行气动性能矛盾的问题,提出了两种变形布局方式——伸缩翼布局和翻转翼布局。通过数值手段比较分析了两种变形布局的低速气动特性,并通过风洞试验对其性能进行了验证。结果表明,在增加相同机翼面积时,伸缩翼在起飞状态增升效率为68%,同时阻力增加35%;翻转翼在起飞状态增升效率为42%,阻力增加15%;伸缩翼布局比翻转翼布局的起飞升力大16%,阻力大20%,伸缩翼布局具有明显的升力优势,说明亚声速状态增加机翼展弦比是增升的有效手段,但同时也带来阻力的增加;鸭翼具有显著的增升效果,起飞状态增升12.8%,同时阻力降低1.4%,纵向压心系数绝对值前移0.48%,有效缓解了起飞状态升力和纵向稳定性的问题。     

可变形翼导弹动态气动特性的仿真研究

导弹发射后,飞行高度从近地面到高空域,气压、温度变化巨大,同时飞行马赫数也从低速到超声速、高超声速。在不同飞行阶段稳定性能和升阻比需求不同,对导弹气动性能要求不同。固定外形导弹的气动性能难以适用于不同的飞行任务,而可变形翼导弹通过改变翼面的形状,实现外形上的变化,从而适应不同的作战环境。通过分析可变形收缩弹翼不同收缩速度(快速、中速、慢速3种状态)的气动性能,研究了导弹气动性能随弹翼收缩速度变化的规律,揭示了升力系数和阻力系数随弹翼的收缩速率的线性变化特征。同时还分析了变形前后导弹附近流场的压强、速度和温度的变化,以及这些物理量对导弹的影响。结果表明,伸缩翼改变了翼面面积和展弦比,弹翼伸长时具有高升阻力,适合亚声速巡航,弹翼收缩可以减小高马赫数飞行时阻力,提高导弹射程。     

太阳帆板地面展开的气动阻力数值仿真

为研究太阳帆板地面展开试验中气动阻力的影响,基于动网格技术提出了一种时变空气阻力计算方法。该方法采用CFD商业软件进行仿真计算,分析了三帆板地面低速展开的气动阻力影响。分析结果表明,该帆板在运动过程中所受的阻力较小,与工程设计的预估结果相近。     

超低轨航天器气动力分析与减阻设计

轨道降低,航天器受到的气动力增大,气动力对航天器影响显著。考虑自由分子流态 下的超低轨航天器,利用分割法把简单外形的航天器分割为几部分,分别计算各部分的气动 力,然后相加获得总的气动力效果;通过对平面的气动力进行计算分析,提出了超低 轨航天器的减阻设计方法;结果表明：当轨道高度降低到250 km左右时,航天器受到的气动 阻力比500 km高出约2个数量级;一般情况下,超低轨航天器应采用细长体构型,减小迎风 面积;侧面积引起的航天器阻力已经不可忽略,应采用侧面光滑技术,减少侧面阻力;当超 低轨航天器长细比超过一定限度后,随着长细比增大,大气阻力升高。
     

Drag reduction research in supersonic flow with opposing jet

A CFD study on drag reduction in supersonic flow with opposing jet has been conducted. Flowfield parameters, reattachment point position and surface pressure distributions are obtained and validated with experiments. From the analysis on the physical mechanism of drag reduction, it shows the phenomenon that, when the opposing jet blows, the high pressure region is located between the bow shock wave and the Mach disk, which makes the nose region much lower pressure. As the pressure ratio increases, the high pressure region is gradually pushed away from the surface. Larger the total pressure ratio is, the lower of the drag coefficient is. To study the effect of the intensity of opposing jet more reasonably, a new parameter R_PA has been introduced by combining the flux and the total pressure ratio. The study shows that the same shock wave position and drag coefficient can be obtained with the same R_PA with different fluxes and the total pressures, which means the new parameter could stand for the intensity of opposing jet and could be used to analyze the influence of opposing jet on flow field and aerodynamic force.     

Nonlinear aeroelastic analysis of high-aspect-ratio wings in low subsonic flow

In this study, aeroelastic characteristics of high-aspect-ratio wing models with structural nonlinearities in quasi-steady aerodynamics flows are investigated. The studied wing model is a cantilever wing with double bending and torsional vibrations and with large deflection ability in accordance with Hodges–Dowell wing model. This wing model is valid for long, straight and thin homogeneous isotropic beams. The aerodynamics model is based on quasi-steady aerodynamic which is valid for aerodynamic flows without wake, viscosity and compressibility effects. The effect of different parameters such as mass ratios and stiffness ratios on flutter and divergence velocities and limit cycle oscillation amplitudes are carefully studied.     

滚转状态下卷弧翼火箭弹气动特性的数值模拟

采用滑移网格技术对卷弧翼火箭弹的滚转特性进行数值模拟,并对模拟所得的马格努斯力与风洞实验数据进行分析比较。误差分析证明了滑移网格技术模拟火箭弹滚转特性的准确性;模拟结果与风洞实验数据对比表明,采用细长体外形效果显著,升阻力系数受滚转特性影响较小,因而在本次模拟的火箭弹滚速下,可不考虑滚转来模拟火箭弹的升力系数和阻力系数,得出火箭弹滚转运动对气动参数的影响。     

Differential drag spacecraft rendezvous using an adaptive Lyapunov control strategy

This paper introduces a novel Lyapunov-based adaptive control strategy for spacecraft maneuvers using atmospheric differential drag. The control forces required for rendezvous maneuvers at low Earth orbits can be generated by varying the aerodynamic drag affecting each spacecraft. This can be accomplished, for example, by rotating dedicated sets of drag panels. Thus, the relative spacecraft motion can be controlled without using any propellant since the motion of the panels can be powered by solar energy. A novel adaptive Lyapunov controller is designed, and a critical value for the relative drag acceleration that ensures Lyapunov stability is found. The critical value is used to adapt the Lyapunov controller, enhancing its performance. The method is validated using simulations. The results show that the Adaptive Lyapunov technique outperforms previous control strategies for differential drag based spacecraft maneuvering.     

火箭靶弹零升阻力系数辨识

火箭靶弹无控飞行过程中飞行攻角较小且无法准确模拟,为提高靶弹弹道理论预估精度,弹道理论计算可假定飞行攻角为零,将飞行攻角产生的诱导阻力贡献折算为对零升阻力系数的修正。建立了火箭靶弹气动特性工程计算方法,针对火箭靶弹零升阻力系数计算模型不确定性问题,利用火箭靶弹A飞行试验GPS遥测数据对其零升阻力系数进行了参数辨识,基于辨识结果对火箭靶弹零升阻力系数工程计算方法进行了修正。经火箭靶弹B飞行试验结果验证,由于综合考虑了飞行攻角产生的诱导阻力贡献,采用修正后的零升阻力系数,弹道理论预估精度大大提高,满足工程要求。     

局部后掠型栅格舵的气动特性研究

针对栅格舵(翼)技术的主要缺点——跨声速壅塞和阻力高的问题。以简化栅格为研究对象,采用数值分析方法开展了P型和V型局部后掠对气动特性的影响研究,并开展了不同后掠角对气动特性的影响研究。研究发现,局部后掠方式能够弱化或消除亚声速背风区的分离问题,减小跨声速区激波与边界层干扰,解决栅格舵固有的跨声速壅塞和阻力大的问题。局部后掠对栅格减阻有显著效果,尤其是高超声速段,同时能够增加单位浸润面积的法向力,从而提高栅格舵的操纵效率。     

Experimental investigation of the base flow and base pressure of a clustered launch vehicle

Launch vehicles configured with strap-on boosters presents a very complex geometry and flow field of the base region. One of the most important external force acting on a launch vehicle is the aerodynamic drag, and since the base region has high influence, as base drag, on this force, it is of major importance to predict it accurately. For complex vehicle configurations, analytical procedures are often not well adequate, and numerical flow simulations needs well validated codes and high computer power, to describe and determine the local parameters. So, the use of high speed wind tunnels becomes necessary if flow phenomena and base pressure have to be accurately determined. In the present study an experimental investigation of the base flow region of a clustered launch vehicle, characterised by four strap-on boosters around the core vehicle, has been carried out. The results, which are summarised in the present article, show the behaviour of the base pressure as function of the Mach number, and correlate the contribution of base drag to the total aerodynamic drag. Also features of the local flow field, taken from Schlieren flow pictures, are shown in detail. The article presents the wind tunnel models and program, and shows and discusses the results obtained for several flight regimes.     

地效飞机空气动力特性测量

介绍地效飞机带螺旋桨动力模型的风洞试验结果，着重介绍地面效应和螺旋桨转速参数对飞机气动力特性的影响。测量结果表明，地面效应非常明显，飞机升力和纵向稳定性都有明显增加。螺旋桨转速增加，使飞机升力增加，阻力减小，从而使升阻比有较大增加，同时使飞机纵向稳定性稍有降低。     

基于木星大气环境的降落伞系统气动特性研究

木星探测是未来行星探测的重要发展方向,而降落伞是进入木星大气探测必不可少的气动减速装置。文章基于“伽利略号”探测任务,设计了满足未来木星探测需求的降落伞系统简化模型,并针对该降落伞系统进行了数值模拟,研究了木星大气和地球风洞实验环境中不同来流马赫数下降落伞系统的复杂流动现象及气动力变化规律。在木星大气环境中,降落伞的阻力系数和横向力系数大小以及横向力系数波动幅度均高于风洞试验环境,阻力系数波动幅度均低于风洞实验环境。此外,还研究了木星大气环境中不同来流攻角下降落伞系统的气动特性。研究表明,木星大气环境中降落伞系统气动特性与风洞实验结果有差异,因此未来在设计用于木星探测的降落伞系统时,应考虑由于木星大气环境对降落伞系统气动特性的影响。     

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。     

真实气体效应对高超声速轨道器气动特性的影响

基于一个7组元6反应动力学模型，采用NND差分格式求解化学反应Navier-Stokes方程，数值研究高超声速轨道器的绕流特性。重点讨论了轨道器气动特性在真实气体效应作用下对不同来流状态和不同舵偏角的敏感性。研究表明：真实气体效应主要发生在物面附近很薄的激波层内，缩短了激波的脱体距离，使激波层变薄，流动变量的梯度变大；空气的离解和电离导致轨道器的阻力系数比完全气体计算值低，压心位置前移。小攻角下，升力系数和俯仰力矩系数的真实气体计算值高于完全气体计算值，大攻角情形则相反。此外，小攻角时真实气体效应产生小低头力矩，而大攻角时产生小抬头力矩。单就舵面而言，真实气体效应使其阻力系数增大，使其升力系数和俯仰力矩系数在小攻角且非负舵偏角时变小，在大攻角且负舵偏角时变大。特别地，真实气体效应仅在零攻角且零舵偏角时对舵面的压心位置产生较大影响。     

一种固冲组合发动机进气道通气减阻方案的特性研究

提出了一种适用于整体式固体火箭冲压发动机的进气道通气减阻方案，并以矩形截面通气口高度、长度为变量进行了数值模拟实验，得到了其对阻力系数的影响规律。还给出了最佳通气方案的阻力系数随马赫数的变化规律，并与原始模型、进气口加堵盖方案进行了比较。最后结合一种具有常规气动布局的飞行器外形设计了模型，并对其进行了数值模拟研究和吹风实验，验证了方案的有效性和数值计算方法的可靠程度。     

垂直回收火箭可伸缩着陆腿展开的动力学仿真分析

可伸缩着陆腿是实现运载火箭垂直回收的有效途径。相比于着陆过程，火箭着陆腿展开过程涉及的动力学问题更值得特别关注。根据多体动力学方法建立可伸缩着陆腿的虚拟样机模型，针对展开过程开展仿真分析，研究了支腿结构柔性、腿节滑移摩擦力、气动罩气动力及过载等因素对展开时长和展开到位角速度两个关键展开特性指标的影响。结果表明，结构柔性对展开特性影响可忽略，过载对展开特性的影响最大，其次是气动罩气动力和腿节摩擦力。相关研究结果可为用于火箭垂直回收的可伸缩式着陆腿设计提供参考。