侧向喷流干扰工程估算模型研究

喷流的直接力控制适用于全速域和全空域,具有响应快、效率高等特点,是控制飞行器飞行的有效手段之一。喷流与飞行器流场的相互干扰十分复杂,准确地获得喷流干扰气动力非常困难。笔者调研了国内外大量的喷流实验和局部凸起物干扰的分离流动实验,利用二维平板及轴对称凸起物绕流的分离特性,初步建立了计算喷流干扰的工程模型。该模型可计算喷流穿透高度、分离区长度、二维分离区边界、分离区平台压力系数,并可对分离特性进行三维修正。利用这一模型,笔者进行了某飞行器的超声速喷流的气动干扰特性计算,并与数值计算结果进行了比较。     

串联布局飞行器级间冷分离气动特性研究

针对串联布局飞行器级间采用冷分离模式时的气动问题进行了风洞试验,研究典型亚声速、超声速下级间夹角为零时,两级气动特性随级间距离以及迎角的变化规律。结果表明,在所研究的级间距离范围内,两级相互干扰未被隔绝,两级的轴向力系数变化规律与马赫数、级间距离和迎角有关;二级法向力系数犆犖基本不受级间距离影响,而在迎角较大的情况下一级犆犖会随级间距离的增大而增大。     

悬停及前飞状态下旋翼／机身的气动力干扰

为了获得施旋翼／机身的气动力干扰概念，利用ＢＯ－１０５旋翼模型和Ｚ－９机身模型在气动中心８米×６米风洞进行了悬停及前飞实验。结果表明，旋翼与机身之间的气动力干扰，主要是旋翼下洗尾流对机身气动力的影响。悬停时，下洗尾流使机身产生负升力、俯仰力矩和偏航力矩。等拉力系数配平前飞时，由于旋翼下洗尾流的向后偏斜，对机身法向力的干扰百分比比悬停时小，对机身偏航力矩和俯仰力矩仍有影响，并产生了侧向力干扰。机身的存在，悬停时使旋翼最大气动效率提高约１％；前一以时使旋翼总距操纵量平均减小约０．４°，前飞需用功率平均减小约１．３％。     

高超声速带喷流级间分离试验中腹支撑干扰影响特性研究

通过数值方法研究了高超声速级间分离测力试验中腹支撑对一级、二级弹体气动力的干扰规律,对试验中采用的“归零”干扰扣除方法得到的修正结果进行验证。主要研究不同迎角、级间距下腹支撑干扰对一级、二级流动结构和气动力特性的影响。研究结果表明,腹支撑干扰引起腹支撑一侧喷流出射高度增加。而腹支撑干扰引起的一级轴向力干扰量相对于轴向力原始量较小,一般小于2%,基本不需要进行修正。二级轴向力腹支撑干扰量百分比在0.1D(D 为模型参考直径)级间距、2°迎角状态最小,但也达到了10%,需要考虑进行修正。0.1D 级间距时二级法向力腹支撑干扰量采用“归零”修正方法的误差最小,约为0.005,基本可以接受。法向力的“归零”修正更适合于在0.1D 级间距下一级模型上进行,一、二级模型在0.5D 级间距下均不宜采用“归零”修正方法。     

侧喷干扰高温燃气效应讨论

在实验或计算中，通常采用冷喷流（或某种程度上的等效气体喷流，或无反应多组分混合气体喷流）开展侧喷干扰研究，这种处理方法在具有轨迹控制发动机的未来先进飞行器的设计中可能会产生问题。简要回顾了侧喷干扰气体模型对力和力矩影响的实验和计算研究成果，针对满足实际应用需求的大喷流动量比情形，开展了冷喷流、无反应气体喷流和反应气体喷流计算模型对典型锥-柱-裙外形的力、力矩以及侧喷干扰区域内气动加热峰值影响的研究。结果表明:无喷流条件下，反应对力和力矩的影响非常微小；开启喷流后，3种气体模型的法向力差异约4%~15%，力矩差异大于20%。冷喷流不能用于预测侧喷干扰峰值热流，反应气体喷流干扰峰值热流计算结果比无反应混合气体高13%。满足应用需求的大喷流动量比侧喷干扰的力学特性和峰值热流分布，均需开展复现高温燃气效应的实验验证。     

两种特殊CTS试验技术的研究

介绍了载机投放/发射的外挂武器具有舵面控制律模拟的分离轨迹测量技术以及分离体带喷流的导弹级间分离气动干扰特性测量技术的研究情况。研究表明,两种特殊CTS试验技术研究取得了比较满意的结果,进一步拓展了气动中心1.2m高速风洞捕获轨迹综合试验能力和种类。     

高速风洞品字形低阻弹外挂测力试验研究

在ＦＬ－２４风洞中,采用８台天平分别对母机、六枚“品”字形低阻弹及其外挂组合体同时进行了外挂测力试验。结果表明,各外挂物受机翼下洗流影响,其法向力、俯仰力矩特性与其单个外挂物在自由流中呈现的特性大不相同;翼下挂低阻弹及其挂架受侧洗流影响较大,零侧滑角时产生了横向气动特性;处于机翼复杂流场下的外挂物,除滚转力矩量值不大外,侧向力和偏航力矩量值分别与法向力和俯仰力矩量值相当。     

内埋武器超声速分离机弹干扰特性试验研究

在超声速条件下的机弹分离过程中，内埋武器受到载机复杂干扰流场作用，其气动特性与自由流情况有很大差异，对机弹分离安全有一定影响。采用基于并联机构构型的CTS（Captive Trajectory Simulation）试验技术以及纹影显示技术，研究了内埋弹舱布局新型战斗机与典型空空导弹模型的机弹干扰特性，在有/无载机干扰、不同分离角速度和分离高度、载弹尾舵折叠/展开等条件下，对比分析了载弹俯仰力矩/运动特性以及载机干扰流场结构。研究结果表明:在超声速条件下，典型内埋弹舱布局战斗机存在复杂的激波系结构，会对载弹产生较强的气动干扰效应，诱导载弹出现"抬头"俯仰运动趋势；无初始分离角速度时，出现不安全分离的趋势；分离高度降低，会使载弹不安全分离趋势提前；在分离过程中，尾舵折叠不利于载弹姿态控制，在保证分离安全的前提下，应尽早展开尾舵，进行姿态增稳控制。     

高速风洞大振幅俯仰动态试验技术研究

在高速大迎角时的动态气动特性是衡量新一代高机动飞行器气动性能的重要参数之一。笔者介绍了在CARDC的FL 21与FL 24高速风洞配套的大振幅俯仰动态失速实验系统。该系统包括:FL 21与FL 24高速风洞大振幅俯仰运动机构;俯仰运动控制系统;数据采集与处理软件系统。该系统可以在高速风洞中真实模拟飞行器大振幅俯仰运动,并测量其相应的非定常气动力的变化,也可以为飞行器的飞行力学动态性能分析或飞行模拟器提供非定常气动力数据。试验研究初步揭示了航天飞机OV102模型高速大迎角俯仰运动的动态气动特性。     

侧向喷流的一种直接实验模拟

研究了侧向喷流的一种直接实验模拟技术,旨在探讨喷流力直接作用在天平上时,侧向喷流对气动载荷的影响及其增益情况。本文的直接模拟是通过一种通气式应变天平实现的。研究中分析了有关模拟原则,妥善处理了诸如高压气体密封、天平变形引发的漂移、干扰等相关技术问题,并在一尖拱柱构型上实现了多种条件下的直接模拟,给出了来流条件和喷口参数条件对法向力、俯仰力矩增益因子的影响。最后,就实验结果进行了适当讨论和评述。     

高超声速一体化飞行器冷流状态气动特性研究

采用数值模拟和风洞实验方法.对高超声速一体化飞行器缩比模型在发动机关闭以及发动机通流状态下的气动特性进行研究.实验中采用彩色纹影系统对缩比模型飞行器的超声速流场进行显示,并通过六分量应力天平测得了全机的升力、阻力和俯仰力矩,数值模拟气动力系数以及流场特征与实验结果吻合较好,同时分析了飞行器保持静稳定状态下的质心选择范围.结果表明进气道开启之后飞行器升力阻力以及抬头力矩显著下降,但此飞行器配平迎角仍较大.该实验结果验证了数值方法的可靠性并为飞行器构型设计提供了参考数据.     

强侧风下青藏线列车气动性能风洞试验研究

列车运行过程中可能遭遇来自不同方向的强风,为了充分了解和掌握列车在侧风作用下的气动性能,作者以青藏线为工程背景,通过风洞试验,对强侧风下青藏线客车、棚车、集装箱车在桥梁和平地上运行时气动性能进行了测量和分析.结果表明:列车上的侧向力系数和倾覆力矩系数的绝对值随侧滑角的增加而迅速增大;当侧滑角达到一定值时,列车侧向力系数和倾覆力矩系数的绝对值达到最大值,此后,侧向力系数和倾覆力矩系数的绝对值随侧滑角的增加而减小;在同样的运行速度和同样的大风风速下,列车在桥梁上运行比在平地上运行所受到的侧向力系数和倾覆力矩系数大,因而列车在桥上运行也相对较危险.     

某运载火箭级间分离喷流干扰风洞试验研究

对某运载火箭级间分离特性进行了风洞试验研究,内流采用冷喷流模拟技术,获得了助推器与芯级同时分离和助推器先分离时,两级在有、无喷流、同轴变迎角情况下的气动力系数,试验结果表明,助推器与芯级同时分离和助推器先分离两种情况下,一、二级箭体各自的气动力系数变化很小,这说明助推器与芯级同时分离的方案是可行的.风洞试验研究结果为运载火箭级间分离方案设计和火箭控制系统参数设计提供了依据.     

操纵面作动对无尾布局无人机纵向气动特性的影响

通过风洞测力实验,研究了不同操纵面作动对某无尾布局无人机纵向气动特性的影响.实验结果表明:升降副翼以及襟副翼正向偏转都会使全机升力系数、阻力系数以及低头力矩增加.升降副翼作动引起的增量要高于襟副翼,并且舵偏角度越大增量越大.全动翼尖作动对全机纵向气动特性基本没有影响.在线性段,鸭翼作动对升力系数和阻力系数影响不大;线性段之外,鸭翼作动使得升力系数和阻力系数减小.迎角α<16°以及α>38°时,鸭翼正向作动使得低头力矩减小,负向作动使得低头力矩增加.操纵面作动对低头力矩的控制效率由高到低依次为:升降副翼、襟副翼、鸭翼和全动翼尖.进一步分析表明不同操纵面的控制效率与舵容量系数具有较大关系.     

吸气式高超声速飞行器冷态测力试验支撑校正

吸气式高超声速飞行器整体外形与推进系统性能高度耦合，在风洞测力试验中，支撑机构不可避免会对其气动特性产生影响。针对该类飞行器冷态气动力试验中存在的支撑干扰问题，以基于乘波前体的机体/发动机一体化飞行器为研究对象开展试验和计算研究，对比了尾支撑、背支撑和背支撑+虚拟尾支撑3种风洞支撑机构对飞行器主要气动力参数的影响，并通过比较不同支撑方式的测量结果对气动力进行了校正。试验在来流马赫数4和6两个工况下进行。结果表明:相对于背支撑，尾支撑对飞行器气动力参数的影响较小，更适合作为吸气式高超声速飞行器冷态测力试验的支撑机构；结合背支撑和背支撑+虚拟尾支撑的方式，可以有效地对尾支撑测量结果进行校正，提供更为精准的气动力试验数据。     

飞行器表面气动载荷的柔性智能蒙皮多参量测量

飞行器表面气动参数特征是飞行器结构设计和安全评估的重要依据,而风洞试验作为最有效的测试手段,通常面临破坏结构、测量物理量单一等问题。提出曲面共形的柔性智能蒙皮测量技术,集成了多种超薄柔性传感器阵列,通过剪纸–拼接的完全共形方式集成到飞行器结构表面,在不改变结构表面形貌的情况下同步实时测量壁面静态压力、脉动压力、温度、壁面剪应力等多种气动参数。在直流式风洞、射流平台和FL–9风洞中对NACA0012机翼和飞行器尾翼进行了变风速和变迎角试验,分析风洞试验中采集获得的多种气动参数,验证了该系统的可用性,为风洞试验中柔性智能蒙皮多参量同步测量气动特性研究提供参考。     

侧向喷流单、双喷管气动特性研究

在CARDC-5的高超声速推进风洞中,采用空气作为喷流介质对双锥柱体模型的单、双喷管侧向喷流干扰进行了对比实验研究.实验状态为:马赫数6、飞行高度H=54km、迎角α=0°~6°、滚转角y=0°~9°.实验结果表明:(1)单喷推力放大因子在1左右,力矩放大因子略小于1,喷流干扰影响较小;(2)双喷管流场因为喷流相互干扰的作用,其各放大因子变化量较单喷更稳定;(3)在此高度及模型外形条件下,不管是单喷管还是双喷管,喷流干扰对其自身推力影响不大.     

高速风洞级间分离轨迹模拟试验技术

针对多级航天器级间分离研究的地面试验需求，在高速风洞中发展了能够同时模拟前、后级运动的级间分离试验技术。利用风洞的上、下迎角机构，配置电机、传动系统和控制系统，建立了可变迎角和x向位移的上驱动机构，以及可变迎角、x向位移和y向位移的下驱动机构。分别将多级航天器的前、后级模型及测力天平与风洞上、下驱动机构连接，在级间分离计算机控制下，可开展前级迎角、后级迎角、前后级x向和y向相对位置协同模拟的轨迹模拟试验。调试和应用结果表明:上驱动机构可实现迎角–15°～15°、x向0～200 mm范围内的受控运动；下驱动机构可实现迎角–11°～49°、x向0～680 mm、y向0～507 mm范围内的受控运动；系统可用于常规测力试验、投放试验、网格测力试验和轨迹捕获试验。