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。     

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。     

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。     

一种翼身融合布局飞行器的偏离特性分析

为研究某翼身融合布局飞行器的偏离特性，在南京航空航天大学回流式低湍流度开口风洞中进行了飞机模型的大迎角静态测力试验。通过对试验结果的充分挖掘，利用横航向静稳定性判据、侧滑偏离判据、横向控制偏离参数以及Weissman组合判据进行分析，获得了飞机的大致初始偏离迎角和偏离区域，并对飞机的尾旋敏感区进行了预测。同时，利用风洞虚拟飞行试验技术进行三自由度释放验证。结果表明:该翼身融合布局飞行器的横向静稳定性较差，在很小的迎角下就可能出现非指令滚转运动，这也是造成偏离发散的主要原因；而虚拟飞行试验对偏离现象有较好的复现，与通过稳定性判据得到的偏离特性具有较好的对应关系，验证了虚拟飞行试验在偏离特性研究上的可靠性。     

柔性-刚性混合翼微型飞行器气动特性研究

提出了一种将柔性翼和刚性翼相结合的柔性-刚性混合翼微型飞行器新概念布局型式,通过与刚性翼微型飞行器的风洞对比试验研究了该新概念布局的气动特性.在此基础上,进行了柔性-刚性混合翼微型飞行器试验原理样机的飞行试验验证.风洞试验和飞行试验研究结果表明:柔性-刚性混合翼微型飞行器的新概念布局是可行的;与刚性翼微型飞行器相比而言,柔性-刚性混合翼微型飞行器具有更好的气动特性,对解决微型飞行器抗风稳定飞行问题是有效的.     

航天飞机的粘性干扰效应——航天飞机的空气动力学问题之二

航天飞机在55公里高度以上飞行时,处于高马赫数,中、低雷诺数的粘性干扰区(粘性干扰参数(?)=0.005～O.08)。传统的无粘流/边界层修正法(3DV)已不适于计算无粘/有粘强干扰的情况,而要采用全粘性激波层的 PNS 法。本文简要的介绍了美国航天飞机研制过程中采用的3DV 和 PNS 的计算方法,对航天飞机简化外形和钝锥体的粘性干扰效应进行了分析和讨论。研究结果表明,PNS 法是解决航天飞机高超声速粘性干扰效应的较为有效的数值模拟方法。     

再入大气层航天飞机的动力学建模与仿真

探讨了返回式航天飞机在再入大气层飞行阶段的动力学建模与仿真技术，基于牛顿定律建立了描述再入大气层飞行过程的六自由度非线性动力学和运动学数学模型。其中地球被描述为绕短轴自转的椭球体，重力场梯度由四阶Ｊｅｆｆｅｒｙ常数描述，航天飞机的姿态运动用四元素法描述，以避免模型方程中的数值奇异点。同时，以某型机组返回器为对象，建立了空气动力学模型，在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下开发了飞行仿真器软件系统，检验了其性能和     

基于自适应逆的微型飞行器飞行控制系统

飞翼式微型飞行器由于尺寸小、速度低、气动布局特殊和飞行环境复杂多变,其飞行力学具有显著的非线性和非定常特性,传统的控制方法已不能满足要求.本文运用时标分离理论,设计了快变量和慢变量动态逆,同时引入在线神经网络补偿动态逆误差,并采用伪控制补偿器消除作动器和自适应单元之间的相互影响,在此基础上提出了飞翼式微型飞行器的自适应飞行控制系统,并与采用动态逆-PID控制方法设计的飞行控制系统进行比较.仿真结果表明:基于自适应逆的飞行控制系统,具有较强的鲁棒性和指令跟踪能力,比动态逆-PID飞行控制系统更适合于微型飞行器.     

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。     

Scheme for the Balance Between Stability and Maneuverability of Hypersonic Vehicle

Since the aerodynamic center moving backward sharply in hypersonic flight,the stability margin of the hypersonic vehicle increases largely while the maneuverability decreases.We proposed a novel method to solve this contradiction.We used relaxed static stability(RSS)to improve the maneuverability in hypersonic flight,and designed the stability augmentation system(SAS)to ensure the stability in subsonic flight.Therefore,the relationship between static stability and maneuverability was quantitatively analyzed in the first step,and the numerical value of RSS was obtained on the premise of good maneuverability.Secondly,the relationship between static stability and aerodynamic parameters was quantitatively analyzed.We properly adjusted aerodynamic parameters based on the quantitative relationship to achieve the specific static stability set in the first step,and therefore provided the engineering realization methods.The vehicle will be statically unstable in subsonic flight with the specific static stability.Lastly,SAS was needed to ensure the stability of the vehicle in subsonic flight.Simulation studies were conducted by comparing the linear SAS to the nonlinear SAS,and the results showed that the nonlinear dynamicinversion controller can synthesize with proportional-integrall-derivative(PID)controller robustly and stabilize the hypersonic vehicle.     

浅析高空长航时无人机的气动研究问题

叙述了高空长航时无人机的现状和作用,讨论了它的主要气动特征,评述了可行的分析、设计技术。认为XFOIL技术具备了处理边界层转捩、分离、分离泡的能力,可望在我国高空长航时无人机的气动设计中发挥一定作用。     

X-37B的发展现状及空气动力技术综述

X-37B的研制和试验国内外一直高度关注。X-37B作为跨大气层飞行器,从空气动力技术角度分析其研究工作很有意义。介绍了X-37B的发展历程,分析了战略用途,并重点介绍了涉及的一些关键气动技术,如气动布局设计优化、气动舵面/RCS/O MS复合控制设计、热防护技术、气动辅助变轨技术等,对其利用三大手段开展的研究工作也作了简要介绍,最后简要总结了X-37B研制过程中的一些经验教训。     

仿枫树种子微型飞行器的总体与飞行控制设计

通过模拟枫树种子独特的自旋飞行方式,设计了一种仿枫树种子的新型微型飞行器。参考枫树种子的外形与重量分布来完成该微型飞行器的总体布局设计,同时采用动态网格非定常流场方法计算分析了该飞行器不同转速下的飞行工况。根据这种飞行器独特的飞行方式,基于地磁场的方位定标,设计了这类自身无固定参考系飞行器的飞行控制方法,最后制造了样机进行飞行试验。结果表明：仿枫树种子微型飞行器具有良好的气动效率,所设计的操纵方案有效可靠,大大增加了这种飞行器的可控性和实用性。     

超机动飞机的非线性控制与飞行员在环实时仿真

在空中格斗中，使用过失速机动可获得显著的战术优势，而飞机在大迎角和高角速率的情况下，其动力学具有强耦合性和非线性，本文讨论了应用非线性动态道进行超机动飞机飞行控制系统的设计。飞机的动力学可分成快慢两组变量，角速率是快变量，姿态角是慢变量，对快变量进行非线性逆控制器的设计，以此来稳定纵向短周期运动，并通过气动舵面与推力矢量的融合，来改善大迎角范围内的侧向响应。对慢变量进行非线性逆控制器的设计可使飞行员控制飞机慢动力学，即迎角、侧滑角和速度矢量滚转角。本文还讨论了一个飞行员在环实时仿真系统的设计，该系统采用了多台计算机的结构，可用于非线性动态逆控制律的飞行员在环分析。     

飞行器隐身与气动外形综合优化设计初探

雷达散射截面已成为飞行器设计的一个重要战技指标。由于ＲＣＳ和气动特性都与飞行器的外形密切相关，故外形设计时要兼顾隐身与气动力等多方面的因素。本文以对飞行性能影响较大的纵向气动力系数作为约束条件，某方位的ＲＣＳ均值最小作为目标函数，对飞行器隐身与气动外形的综合优化设计方法作了初步探讨，并给出了应用示例，得到了比较合理的结果。     

大型低温高雷诺数风洞及其关键技术综述

随着航空运输业的发展,先进飞行器的精细化设计要求有飞行雷诺数下的气动数据为支撑。大型低温高雷诺数风洞(如ETW、NTF)是真实再现飞行器飞行状态流动特性的最佳地面试验设备。文中归纳总结了大型高雷诺数风洞的实现途径和风洞型式,分析了当前低温风洞的国内外现状,深入剖析了大型连续式低温风洞设计建设的关键技术及解决措施,对我国自行开展大型低温高雷诺数风洞的设计建设具有重要参考意义,并对成功建设我国大型低温高雷诺数风洞进行了展望。     

人工智能在空腔气动/声学特性预测与控制参数优化中的应用

多参数多条件下的精准气动特性数据是进行飞行器快速设计、系统完善、性能评估、指标考核的基本前提和根本保证。基于人工智能的深度学习技术与流体力学交叉融合已成为当前发展趋势,并在湍流模型改造、系统理论建模、气动数据预测、控制参数优化、复杂流场重构等方面得到成功应用。为最大限度发挥深度学习的强大表征能力,围绕内埋弹舱作战运用和智能优化设计需求,构建了弹舱空腔气动特性多场载荷数据库,采用基于数据驱动的深度学习方法,建立了耦合因素影响下的空腔气动/声学特性智能分析深度前馈神经网络模型,实现了有限约束条件下的空腔气动/声学特性快速预测,并引入随机搜索和贝叶斯超参数优化方法增强了模型鲁棒性,为空腔噪声有效控制模型快速优化设计提供了数据基础和方法途径。     

脉冲燃烧风洞测力天平研制与应用

介绍了一种用于脉冲燃烧风洞高超重载模型冷、热态测力试验的腹支内式六分量应变天平研制方案。燃烧脉冲风洞试验时间短、冲击载荷大，模型重量大，要求天平能够快速响应，设计方案兼顾了刚度和灵敏度，天平静校指标满足要求。试验结果表明，天平输出信号与燃烧室压力的跟随性良好，能够正确反映模型的受力状态，轴向力系数的重复性精度达到了1.6%，天平性能稳定，由模型/天平/支架构成的测力系统在轴向力、法向力和俯仰力矩3个分量上输出信号的主频均满足脉冲风洞的测力要求。该天平方案满足重载模型在脉冲燃烧风洞试验中的测力要求。     

大型飞机高速气动力关键问题解决的技术手段及途径

大型飞机采用超临界机翼,并具有尺度大、飞行雷诺数高等特点,其研制中必须解决好高升阻比机翼、翼身组合体设计,推进系统/机体一体化设计,抖振特性、静气动弹性特性预测及超临界机翼流动控制等高速气动力问题。要解决这些关键气动力问题,必须进行一系列相关的大型高速风洞试验,以及解决相应的试验技术问题。