基于密切曲锥的乘波构型一体化飞行器设计方法研究

描述了基于密切曲锥的乘波构型一体化飞行器设计方法。其特点是采用曲面乘波压缩前体,前体进气道压缩面基准流场由激波和等熵压缩波轴对称流场组成,三维乘波面采用密切曲锥方法由前缘线各点流线跟踪拟合构成流面;前体上表面由变半径轴对称特征线法生成基准流场并流线跟踪构成流面;尾喷管根据发动机燃烧室出口参数构造特征线流场并流线跟踪得到膨胀型面。快速的分析工具采用工程计算、一维燃烧室计算与经验公式相结合的方法对飞行器性能进行初步评估。所设计的三米量级一体化模型飞行器通过数值计算和风洞试验对性能进行了验证,结果表明,飞行器在设计状态基本达到设计要求,发动机正常点火工作,飞行器得到正推力,采用的气动性能快速分析估算方法对气动力的预测较为准确。     

曲外锥乘波体进气道实用构型设计和性能分析

介绍了新型曲外锥乘波前体进气道(CCWI)的一体化设计方法,设计了理论构型并验证了设计方法。在几何参数约束下,获得了隔离段矩形出口,考虑前缘钝度及展向切除的乘波前体进气道构型。基于验证的数值仿真工具及计算网格策略,分析了几何切除及钝度和黏性对一体化构型性能的影响。在来流马赫数为4.0和6.0,迎角(AoA)在-4°~8°范围内,对设计的乘波前体进气道的基本性能进行了雷诺平均Navier-Stokes数值仿真,结果表明,该乘波前体进气道具有较高的流量捕获和总压恢复特性,隔离段出口参数满足超燃冲压发动机入口需求。该新型乘波前体进气道一体化方案及研究结果为一体化曲外锥乘波飞行器及一体化乘波推进流道的研究奠定了技术基础。     

一种给定容积空间的乘波构型参数化设计方法

乘波构型高超声速飞行器布局具有高升阻比的优点,但有效容积低和尖锐前缘使其在实际工程应用中受限。为弥补乘波构型飞行器有效容积低的不足,提出了一种乘波构型上表面参数化设计方法,同时开展了前缘钝化研究,采用增加前缘材料的方法进行钝化。分析了上表面不同设计参数对乘波构型飞行器容积率和气动性能的影响,研究了飞行器气动特性随迎角和马赫数的变化规律。计算结果表明,钝化后的经给定容积上表面设计的乘波构型有效提升了有效容积及容积率,并且仍能保持良好的乘波特性。数值仿真结果表明容积效率和气动性能是相互矛盾的关系,需要根据实际情况进行权衡。对于给定有效容积上表面设计的乘波构型高超声速飞行器,适合在一定范围的正迎角下飞行,并且能在较大的马赫数范围内保持优良的气动特性。研究可为提升高超声速乘波飞行器有效容积提供参考,提高了乘波构型飞行器的工程应用性。     

超声速颌下乘波进气道一体化设计

为实现冲压发动机进气道/飞行器前体融合化设计,采用轴对称弯曲激波压缩基准流场和等熵压缩基准流场的锥导乘波设计方法,设计出工作范围Ma=2.5~4.5的超声速颌下乘波进气道方案,利用三维流场数值模拟获得了进气道基本性能,并对等熵压缩颌下乘波进气道进行了风洞吹风试验,验证了进气道的性能特性。研究结果表明:(1)设计的颌下进气道可以在Ma=2.5~4.5工作,在设计点Ma=4.0实现前体乘波,并具有大捕获流量、高压缩特性及高升阻比的优点;(2)进气道总压恢复系数和流量系数随着攻角增大而提高,在Ma=4.0,6°攻角状态,该进气道总压恢复系数可以达到0.47,流量系数达到1.20;(3)在更大攻角下由于捕获流量大幅增大,颌下进气道会出现不起动现象,但流场结构和性能稳定。     

滚转运动对乘波飞行器气动特性的影响

 乘波飞行器运动过程中的非定常气动特性是高超声速飞行中的重要物理问题之一。采用数值模拟方法模拟了乘波飞行器在固定迎角下绕其对称轴强迫滚转运动这一过程。比较了在不同频率和滚转角下乘波飞行器的气动特性。计算格式采用AUSM类格式中最新的AUSM+up格式。计算结果表明：AUSM+up能很好地模拟飞行器滚转运动这一非定常过程;滚转运动时,所设计的乘波飞行器能使高压气体很好地附着在乘波飞行器下表面从而使其具有较好的气动特性;当频率较大时,乘波飞行器由于角速度的诱导作用会导致升力出现迟滞现象;做滚转运动时,滚转力矩小于零,产生正阻尼,乘波飞行器不会产生“摇滚”运动。     

乘波体特性研究现状及展望

乘波体特性研究是开展乘波飞行器设计的基础。本文对乘波体相关特性的研究现状进行了分析，重点总结了乘波体几何特性、气动特性、气动热特性等静态特性和横航向稳定性、纵向稳定性以及弹性效应对稳定性的影响等动态特性的研究进展；在此基础上，对乘波体特性研究中还存在的困难和问题进行了分析，并对未来进一步的研究重点进行了展望。研究表明，乘波体的几何特性决定了其适用于高超声速飞行器的前体设计；乘波飞行器适用于在设计点和小迎角工况下飞行，宽速域、大空域范围内气动性能还难以满足实际使用需求；在进行高超声速乘波飞行器气动外形设计时，应综合考虑气动力和气动热之间的平衡折中，采用合适的气动热解决方法来满足工程应用的需要；乘波体需具有上反角和“下凸”的外形特征，以满足稳定性要求。可为乘波飞行器的研究发展提供参考。     

两级入轨运载器RBCC动力系统内流道设计与性能计算

针对以火箭基组合循环(RBCC)发动机作为水平起飞两级入轨(TSTO)运载器第一级动力系统的方案,建立了进气道-燃烧室-尾喷管一体化流道耦合性能快速计算模型,初步设计了RBCC发动机一体化内流道。RBCC发动机使用变结构进气道,采用支板/凹腔相结合实现火焰稳定的燃烧室以及单侧膨胀尾喷管;应用经过校验的性能分析模型进行RBCC燃烧室性能快速计算;对比分析了性能分析模型与三维数值计算获得的发动机出口状态参数对于飞行器后体流场的影响性;完成了RBCC为动力的两级入轨方案飞行器动力系统的性能分析与计算;分析评估了飞行弹道条件下RBCC推进系统的性能。计算结果表明:飞行器起飞质量280t时,可以完成运送4t载荷进入近地轨道的任务。     

超燃冲压发动机可调尾喷管多目标优化设计

针对超燃冲压发动机宽马赫数、攻角范围内高性能工作要求,建立了基于试验设计方法和代理模型的可调尾喷管多目标优化设计方法,获得了尾喷管结构随马赫数和攻角变化的调节规律.以推力系数、升力系数和力矩系数为优化目标,以三次型线尾喷管为对象,采用遗传算法优化设计,得到Pareto最优解集;以一组Pareto最优解为基准在不同马赫数和攻角下进行尾喷管变结构设计优化,拟合得到尾喷管结构随马赫数和攻角的变化曲线.仿真结果显示了理论分析的正确性,并发现:变结构设计实现了尾喷管大范围高性能工作;尾喷管性能和几何参数,飞行状态参数均高度非线性,任一个改变都会影响其性能;采用试验设计方法和代理模型,能大大缩小优化设计时间,简化设计过程.     

超燃冲压及TBCC组合循环发动机尾喷管设计方法研究进展

随着对远程、宽马赫数范围内高速飞行器的需求日益迫切,超燃冲压发动机(Scramjet)、甚至未来涡轮基组合循环发动机(Turbine Based Combined Cycle,TBCC)等已成为国内外研究的焦点。推进系统是高超声速飞行器能否实现宽马赫数范围内高效工作的关键,而非对称喷管(Single Expansion Ramp Nozzle,SERN)是其重要组成部分和关键技术之一。本文主要分析了远程、宽马赫数范围内高速飞行器对其发动机尾喷管的特殊要求,简要回顾了国内外相关的研究进展,重点介绍了本课题组针对超燃冲压及组合循环发动机尾喷管设计方法的主要工作和研究进展。结果表明:在大落压比下,不同的设计方法对非对称喷管的气动性能,特别是升力和俯仰力矩影响较大。最后对未来的研究进行了展望,旨在总结目前的相关研究进展,梳理关键科学与技术问题,为后续的研究工作提供参考。     

高超声速飞行器机体/推进一体化设计的启示

机体/推进一体化设计是吸气式高超声速飞行器的关键技术。飞行器的前体和后体既是主要的气动型面,又是发动机进气道的外压缩型面和尾喷管的膨胀型面,一体化设计直接影响飞行器的气动与发动机性能。本文阐述了吸气式高超声速飞行器的主要特点,梳理了飞行器的推阻匹配、升阻比特性、操稳匹配等主要气动设计问题。通过对国外典型高超声速飞行器机体/推进一体化设计技术的综合分析,总结了前体/进气道、后体/尾喷管、边界层强制转捩装置等关键部件的气动设计方法,获得了有意义的启示,可为后续吸气式高超声速技术研究提供重要参考。     

高超声速飞行器后体喷管设计

为得到二维高超声速飞行器后体喷管优化型面, 建立了基于N-S方程的二维后体喷管设计模型, 分别对内部喷管长度和上壁型面进行设计, 得到了后体喷管优化设计外形, 并将结果与Edwards提供的基准进行比较, 表明改进了后体喷管的推进性能.      

某型弹用涡喷发动机安装性能分析

在分析S形进气道的总压损失以及进气道，喷管／后体外部阻力计算方法的基础上，建立了针对某型号导弹涡喷发动机的安装性能的计算程序，并结合实际飞行条件，对用户附加引气，功率输出，进气道，喷管安装和环境温度对该发动机性能的影响进行了计算，结果表明，引气和提取功率影响不大，而进气道总压损失和进、排气系统的外部阻力有重要影响，环境温度有一定影响；而且由于弹用涡喷发动机的推力比较小，必须考虑安装性能计算，以便准确判断每一种安装因素所造成的性能损失，为设计和使用方提供理论指导依据。     

基于Rao方法的二维单壁膨胀喷管优化设计

针对高超声速飞行器后体尾喷管的优化设计问题,发展了与多目标优化程序NSGA-Ⅱ相结合的自动优化流程。利用Rao喷管的近似方法建立喷管优化模型,采用区域推进求解PNS方程的流场解算器和网格自动化生成技术获得尾喷管的性能;引入目标约束设计和自适交叉技术,自动加速目标空间的搜索,大幅度提高了多目标优化设计效率;获得了给定来流和喷流条件下的一种具有良好性能的二维后体尾喷管设计方案。     

推进系统性能分析

本文应用我们所建立的推进系统性能计算程序,研究进气道-发动机-喷管匹配,分析了各种设计参数和使用条件对推进系统性能的影响,并把推进系统和飞机组成一个系统,进行发动机最佳循环参数的优选。     

Improvement of the SERN nozzle performance by aerodynamic flap design

As continuation of the former study [P. Gruhn et al., Aerospace Science and Technology 4 (2000) 555–565], we examine the flow at a SERN nozzle for a future hypersonic cruise vehicle with help of a nozzle/afterbody wind tunnel model. Main focus is on the flow at the nozzle flap and the separation of the boundary layer at the flap cowl. The location of this separation is determined for different nozzle pressure ratios and different Reynolds numbers. An empirical criterion to predict the separation point at the flap cowl of the nozzle/afterbody model is established.Based on the experiments and recent studies, a geometry for the nozzle flap of the reference configuration ELAC of the Collaborative Research Center 253 of the Aachen University of Technology is suggested. Numerical studies result in an improved axial thrust going along with an improved thrust vector angle for this new flap in the whole examined Mach range between 1.23 and 7. The improvements of up to 11 percent in axial thrust coefficient and up to 15° in thrust vector angle at low Mach numbers exceed the progresses made for the nozzle of the nozzle/afterbody model in the former study.     

超燃冲压发动机/机体一体化优化设计

构建了包括前体/进气道、燃烧室、尾喷管/后体的一体化性能计算程序和优化设计平台,对性能计算程序的适用性进行了验证.进行了燃料为氢的超燃冲压发动机/机体一体化优化设计,对优化设计得到的超燃冲压发动机/机体一体化构型进行了二维数值模拟.计算结果表明:氢燃料超燃冲压发动机/机体一体化性能计算程序准确性较好,优化结果具有较高可...     

喷管收敛-扩张角对爆震发动机性能影响分析

为了研究喷管收敛-扩张角对爆震发动机性能的影响,以氢气和氧气混合物为例,对不同喷管收敛-扩张角下的爆震发动机工作过程进行了数值模拟,结果表明,不同喷管收敛-扩张角对爆震发动机性能的影响并不相同。增大扩张角,喷管出口面积增大,推力投影面积增大,排气时间减少,喷管内压力下降较快。收敛角为5°或扩张角为5°时的爆震发动机性能较好。     

某型涡扇发动机在线流道清洗喷射参数选择与试验

为了解决某型飞机进气道距离长、流道形状不规则造成从进气道唇口喷射清洗发动机时喷射参数难以确定的问题,利用linearized instability sheet atomization（LISA）模型和Spalart-Allmaras（S-A）湍流模型,以液滴颗粒大小和运动轨迹为优化目的,以液滴在发动机气流进口端面的覆盖面和穿透能力为效果目标进行数值仿真,优化选取喷嘴的设计参数,减轻了试车工作量并降低了试验费用。通过飞机进气道与发动机联合整机在线清洗台架验证试验测试评估了预先选择喷射参数的喷嘴的喷射性能。台架试车结果表明:发动机采用冷运转状态清洗,喷射参数确定为雾化角为18°,喷嘴在喷射架上的安装角度为上偏角为7°30′,清洗车的供液压力为1MPa。针对发动机的冷起动或者慢车状态,选取的喷嘴类型、喷射压力、喷射角度和安装角度等优化的喷射参数是合理的,不仅能使清洗液滴覆盖整个发动机的进口区域并穿透整个叶栅,而且不会引起附加的风扇压气机叶片侵蚀。      

收敛型引射喷管/后体风洞试验研究

本试验在600mm×600mm跨超音速风洞里进行。从图1看出,高压空气通过空心支架进入高压室,然行经四个径向音速喷咀膨胀进入低压室。在音速喷咀环,端盖,活动内套之间有一对金属波纹管来密封。从低压室来的空气分成两股流:主流经四个空心整流支板的扇形空间;次流经限流喷咀穿过支板内部翼型通道,进入环形次流腔,最后和主流汇合喷出。     

超燃冲压发动机尾喷管性能对型面参数的回归研究

为了研究型面参数对基于三次曲线构型的超燃冲压发动机尾喷管性能的影响规律,采用均匀设计和回归分析的方法开展了型面参数化研究,得到了尾喷管性能参数与构型参数间的回归模型.研究表明下壁面高度对尾喷管的升力性能影响不显著,其余型面参数对尾喷管性能有影响且为交互作用.同时,上下壁面出口高度增加能提高尾喷管推力性能,上壁面长度增加对升力性能有益,而上壁面出口高度和角度的增加则反之;上壁面出口高度对俯仰力矩性能的影响与升力性能类似,但俯仰力矩性能与上壁面入口角度呈正相关,而出口角度在大部分情况下对俯仰力矩性能呈负相关;下壁面在一定范围内截短对上壁面压强分布影响不显著.