窄条翼导弹模型摇滚运动动力学特性研究

利用NS方程和飞行力学方程耦合的数值模拟,研究分析了窄条翼导弹模型摇滚运动的动力学特性和产生机理。控制方程为URANS和刚体单自由度转动方程,计算取Roe格式、SA湍流模型、双时间步法,气动/运动耦合采用双时间步三阶Adams预估校正法。计算Ma=0.6,α=35°,模型进入极限环振荡,振幅10.14°,周期20Hz,与风洞试验结果吻合较好。受力分析表明力矩迟滞曲线为双8环,中间为不稳定环,两侧为稳定环;模型的动不稳定性是由迎风尾舵引起,背风尾舵不能提供足够的动稳定性,导致模型丧失滚转阻尼,最终进入等幅等周期的极限环振荡;计算证实,该极限环是稳定的,模型在任意初始状态或微扰动作用下都将进入该极限环振荡。计算结果还表明,在非定常效应较强时,转动惯量对摇滚振幅影响不大,对频率影响明显。     

前体涡诱导双极限环摇滚流动特性的实验研究

通过摇滚/PIV/压力同步测量实验,对翼身组合体前体涡诱导的双极限环摇滚过程中流动特性及演化规律进行了系统的研究,并分析了前体涡诱导翼-身组合体双极限环摇滚的流动机理。实验结果表明,前体涡与机翼翼面流动的相互作用使模型在正负滚转相位处分别出现极限环摇滚运动;正负滚转相位过渡是模型运动惯性与气动力共同作用的结果。     

鸭式布局飞行器的翼体摇滚特性风洞试验

为研究鸭式布局飞行器摇滚特性,设计了一种包括鸭翼、脊型前体、边条翼、主翼和垂尾的模型,进行了自由滚转、扰动滚转、静动态测力和烟线流场显示多种技术手段相结合的风洞试验。通过自由滚转和扰动滚转试验得到了该模型翼体摇滚的时间历程,静态测力和动导数测定验证了非极限环运动形式摇滚的发生。结果表明该鸭式布局模型摇滚不仅同侧存在多个摇滚平衡点,而且在临界俯仰角,摇滚过程中可能出现从一摇滚平衡点跳动至同侧另一摇滚平衡点的突变。通过流场显示技术得到该鸭式布局模型复杂流场的基本形态分布,并对滚转角为0°时的全机涡系干扰和摇滚形成机理进行了简要分析。     

窄条翼导弹俯仰机动中滚转失稳及其控制过程

窄条翼布局导弹通常具有复杂的横向气动特性,在大迎角飞行及快速机动中很容易诱发出现滚转非指令偏离和连续振荡,可能导致飞行失控,影响落点精度。为了研究窄条翼导弹俯仰快速机动对滚转失稳的诱发过程及滚转失稳对俯仰机动控制效果的影响,并验证三通道解耦控制方法的有效性,针对典型俯仰机动过程,分别利用2.4 m跨声速风洞虚拟飞行试验平台和耦合气动/运动/控制的一体化数值计算方法开展了相关研究。结果表明,风洞试验和数值模拟均成功预测了俯仰拉起和保持过程中的滚转自激失稳运动及其引起的纵、横向耦合运动,针对该机动过程,三通道解耦控制方法能够有效抑制滚转运动,保持姿态稳定。     

方形截面导弹摇滚特性数值研究

采用隐式耦合求解RANS方程与滚转运动方程的方法研究了方形截面导弹的摇滚运动特性。耦合求解过程采用隐式处理提高了求解精度,采用强迫摇滚得到了自由滚转静导数和动导数;采用与摇滚方程的耦合求解得到了方形截面导弹模型在不同迎角下的自由摇滚历程。两种研究结果均显示随着迎角的增加,方形截面导弹将由滚转稳定变为不稳定,并形成极限环振荡,即摇滚;随着迎角进一步增加将形成滚转发散。两种分析方法所取得的结果与试验结果吻合较好。     

小展弦比飞翼标模非定常流动及自由摇滚特性

小展弦比飞翼布局是中国新型战斗机布局的选择之一，其动态特性尤为重要。针对小展弦比飞翼标模在较大攻角下出现的非定常流动与自由摇滚现象，采用延迟脱体涡模拟（DDES）方法以及动力学模态分解（DMD）方法研究了飞翼标模在Ma=0.6下的非定常流动特性、脉动压力特性、自由摇滚特性，分析运动失稳机理，探索失稳运动控制方法。研究表明：飞翼标模大攻角下非定常流动特性主要体现为，头部发展的集中涡、涡破裂、螺旋波流动结构，其中旋涡破裂点以St=0.12～0.23的频率沿涡轴振荡，螺旋波频率在St=1.16～2.33范围内。数值模拟获得的飞翼标模自由摇滚特征与风洞试验吻合较好，摇滚运动出现在俯仰角24.5°～26°，滚转角平衡位置为28°。对摇滚机理的研究发现，背风侧的集中涡流动与迎风侧的分离流动相互“博弈”是摇滚运动发生与维持的物理机制。上扰流板打开30°时，对自由摇滚运动控制效果不明显，外侧副翼向下打开30°时，自由摇滚现象能够得到较好的抑制。     

俯仰角对鸭式布局飞机摇滚运动的影响与机理分析

为了研究鸭式布局飞机的摇滚运动,设计了一种包括鸭翼、脊型前体、边条翼、主翼和垂尾的模型,进行滚转自由度释放、静态测力、动导数试验和烟线流场显示多种技术手段相结合的风洞试验。首先为了得到摇滚从发生到消失的全过程,进行了俯仰角范围为12°~52°、间隔1°测量的滚转自由度释放试验;结果表明对应于不同的俯仰角,鸭翼布局飞机的摇滚运动也具有不同的性质,其平衡点和运动形式均发生变化。接着静态测力和动导数试验证实:在翼体结构的多涡系影响下,摇滚可在零度平衡点和非零平衡点位置处发生;且运动可为极限环和非极限环形式。最后通过流场显示,分析了在不同迎角时鸭式布局飞机形成翼体摇滚的可能的流动机理。     

翼身组合体摇滚特性高速试验研究

简要介绍了翼身组合体高速风洞自由摇滚实验技术的实验装置、实验方法、数据采集等。开展了翼身组合体大迎角下的摇滚特性研究,给出了典型的结果,研究结果表明随着模型迎角的增加,翼身组合体呈现不同的滚转运动形态,包括静态稳定、准极限环摇滚等。所研究的参数范围内后掠角对摇滚有较大影响,随着模型迎角的增加摇滚振幅呈现抛物线,马赫数的增加对最大摇滚振幅起抑制作用。     

方形截面导弹动态摇滚特性研究

介绍了高速风洞自由摇滚实验技术的实验装置、实验方法、数据采集等。开展了方型截面导弹大迎角下的摇滚特性研究,给出了典型的结果,研究结果表明随着模型迎角的增加,方形截面导弹呈现不同的滚转运动形态,包括静态稳定、准极限环摇滚、双周期震荡和等速滚转。最后对摇滚的机理进行了探讨与分析。     

旋成体导弹小展弦比舵面大偏度对称状态下非对称流动机理

针对跨声速条件下,小展弦比截尖三角翼尾舵的旋成体导弹在小迎角、零侧滑、大舵偏对称状态下呈现出的非对称流动现象,本文首次对其进行了分析研究。首先,通过一系列测力试验、表面油流试验及粒子图像测速（PIV）试验对该非对称流动现象进行了精准捕捉,并对其产生的原因进行了分析。然后,基于已获得的试验数据及流场观测结果,借助数值模拟方法对所述非对称流动的细节、拓扑结构、空间形态及舵面压力分布等问题做了深入研究,并进行了详细讨论。结果表明：旋成体导弹小展弦比舵面大偏度对称偏转时,舵面前缘产生的翼尖涡会因舵面相距较近而相互干扰,促使翼尖涡沿流向非对称发展,使得舵面压力分布不均,最终导致非对称流动和较大横向量的产生,影响导弹的气动性能。     

Experimental investigation of influence of strake wings on self-induced roll motion at high angles of attack

The modern high performance air vehicles are required to have extreme maneuverability,which includes the ability of controlled maneuvers at high angle of attack. However, the nonlinear and unsteady aerodynamic phenomena, such as flow separation, vortices interaction, and vortices breaking down, will occur during the flight at high angle of attack, which could induce the uncommanded motions for the air vehicles. For the high maneuverable and agile air missile, the nonlinear roll motions would occur at the high angle of attack. The present work is focused on the selfinduced nonlinear roll motion for a missile configuration and discusses the influence of the strake wings on the roll motion according to the results from free-to-roll test and PIV measurement using the models assembled with different strake wings at a = 60°. The free-to-roll results show that the model with whole strake wings(baseline), the model assembled with three strake wings(Case A)and the model assembled with two opposite strake wings(Case C) experience the spinning, while the model assembled with two adjacent strake wings(Case B), the model assembled with one strake wing(Case D) and the model with no strake wing(Case E) trim or slightly vibrate at a certain "×"rolling angle, which mean that the rolling stability can be improved by dismantling certain strake wings. The flow field results from PIV measurement show that the leeward asymmetric vortices are induced by the windward strake wings. The vortices would interact the strake wings and induce crossflow on the downstream fins to degrade the rolling stability of the model. This could be the main reason for the self-induced roll motion of the model at a = 60°.     

An experimental investigation on static directional stability

A generic aircraft usually loses its static directional stability at moderate angle of attack (typically 20–30?). In this research, wind tunnel studies were performed using an aircraft model with moderate swept wing and a conventional vertical tail. The purpose of this study was to investigate flow mechanisms responsible for static directional stability. Measurements of force, surface pressure and spatial flow field were carried out for angles of attack from 0? to 46? and sideslip angles from ?8? to 8?. Results of the wind tunnel experiments show that the vertical tail is the main contributor to static directional stability, while the fuselage is the main contributor to static directional instabil-ity of the model. In the sideslip attitude for moderate angles of attack, the fuselage vortex and the wing vortex merged together and changed asymmetrically as angle of attack increased on the wind-ward side and leeward side of the vertical tail. The separated asymmetrical vortex flow around the vertical tail is the main reason for reduction in the static directional stability. Compared with the wing vortices, the fuselage vortices are more concentrated and closer to the vertical tail, so the yaw-ing moment of vertical tail is more unstable than that when the wings are absent. On the other hand, the attached asymmetrical flow over the fuselage in sideslip leads to the static directional instability of the fuselage being exacerbated. It is mainly due to the predominant model contour blockage effect on the windward side flow over the model in sideslip, which is strongly affected by angle of attack.     

带有横喷控制的导弹流场数值模拟

从包含多种组分的N-S方程出发，考虑两方程湍流模型，采用NND2M差分格式，对带有横向喷流的双锥旋称体高超声速绕流场进行数值模拟，计算结果与已有的试验数据进行对比，符合较好。在此基础上对带有横向喷流控制系统、型尾翼布局、高超声速飞行的导弹外流场进行数值模拟，研究了迎角、多个喷口、热喷流效应和湍流模型对气动力特性的影响；计算表明在无尾翼情况下有／喷流的气动力差别较小，喷流影响随迎角变化不敏感；对带有尾翼的气动布局，喷口位于背风区时喷流影响较小，喷口位于迎风面时气动力变化较大，压心明显前移；多喷口产生的附加推力和力矩不等于每个单喷口线性相加；湍流模型和热喷流效应引起流场结构改变，但是对总的气动力影响不大。     

边条翼飞机气动特性改进研究

 针对边条弯扭及改变双立尾展向位置对全机纵横向气动特性的影响进行了试验研究。结果表明 :边条弯扭可以在一定程度上提高最大升力系数,增加航向稳定的迎角范围,但对滚转稳定的迎角范围没有什么影响。当双立尾分别移到机身外侧置于机翼上时,可以显著提高全机最大升力系数,同时使航向和滚转稳定的迎角范围大为扩展。     

边条机翼布局战斗机稳定性改进研究

对边条机翼布局战斗机的纵，横向稳定性改进措施进行了研究，结合具体战斗机布局，给出了边条机翼布局战斗机纵，横向稳定性的一般特征，对前缘襟翼下偏，翼刀，平尾下反和机身截面修形等几种气动布局改进措施的风洞试验结果进行了简要讨论，结果表明，所研究的气动布局改进措施都能有效提高边条机翼布局战斗机的稳定性，其中，前缘襟翼下偏既能完全克服俯仰力矩曲线非线性上翘问题，又能较好地解决横侧向稳定性丧失问题。     

不同尾翼鸭式布局远程弹在跨／超声速的气动特性实验研究

为了研究鸭式布局远程弹尾翼对气动特性的影响,设计了无尾翼,“T”型尾8翼,栅格尾翼三种尾翼布局,通过风洞测力实验研究不同布局在不同马赫数及迎角状态下对远程弹气动特性尤其是滚转特性的影响。实验结果显示：安装“T”型尾翼的模型和安装栅格尾翼的模型相比,在跨声速阶段,其升力特性优于栅格尾翼,也更利于滚转控制,但在超声速区域,栅格尾翼模型具有明显的升力特性优势,同时也容易进行滚转控制,而减小阻力是栅格翼将来需要解决的问题。     

栅格翼外形特征对减阻影响的研究

栅格翼相对平板翼有其独特的优越性,对其气动特性进行优化很有必要。采用风洞实验和数值计算的方法,分别对不同翼弦格宽比的栅格翼及不同后掠方式的栅格翼进行了研究,风洞实验结果显示,栅格翼的翼弦格宽比存在一个气动性能的最佳值,使得升阻比最大;数值计算结果证明栅格翼前缘局部后掠能有效减小波阻,是一种新的减小栅格翼阻力的方式。     

超声速X形鸭翼-弹身组合体涡迹发展

应用蒸汽屏方法研究超声速X形鸭翼-弹身组合体涡迹发展。观察了起源于鸭翼后缘的四个翼涡在横截面上形成的“蛙跃”和上反角二翼涡与弹身一对对称脱体涡形成的“混合式蛙跃”现象。在临近蛙跃距离时,有不稳定特性发生。文中还给出了细长体理论计算的涡迹路径跟实验数据比较,结果表明:如果各个旋涡的初始位置和相对强度适合,这种数学模型可计算导弹上的各个旋涡路径,二者存在的差别,可能是由于计算未能模拟涡面和涡量耗散的缘故。为了有助于理解导弹的气动特性,用少量的离散涡计算涡迹路径,作为工程估算是适宜的。