无附面层隔道超音速进气道设计技术研究

阐述了无附面层隔道超音速进气道（鼓包式进气道）的设计原理和设计方法，给出了设计方案和风洞试验对比结果。结果表明：采用这种理论设计的进气道总压恢复高，气流畸变低，其综合性能好于常规进气道。由于无附面层隔道超音速进气道取消了机身附面层隔道和泄放系统，并且没有其它可动部件，使得飞机阻力小、重量轻，具有更高的可靠性、维护性和低成本。采用前机身与鼓包压缩面和前掠整流罩的融合设计也提高了飞机的隐身性能。     

不同截面机身的RCS及气动特性研究

对三个“板块”多边形截面机身及圆截面机身模型进行了RCS隐身特性和低速气动特性的测试与研究,发现多边形截面机身不但具有良好的隐身性能,特别是机身侧面,无论是水平极化或是垂直极化,其RCS值均比相同截面面积的圆截面机身降低一个数量级,而且其气动特性不比圆截面机身差,其升力特性与最大升阻比均比圆截面机身好。最后还给出了考虑多边形侧边缘夹角的横向绕流粘性效应的经验修正公式,可供多边形截面机身的气动特性估算参考。     

一种两侧布局的无隔道亚声速进气道流场特性

对一种两侧翼下布局的无人机无隔道亚声速进气道进行了气动设计和数值模拟研究,给出了该进气道的鼓包结构设计思想,得到了设计飞行马赫数下该进气道的工作特性.计算结果表明:在0°～8°范围内,攻角和侧滑角对进气道性能影响不大,在所有计算状态下,该进气道的总压恢复系数大于0.965,畸变指标小于0.253,满足发动机的工作要求.研究发现:无隔道亚声速进气道的鼓包表面存在相对于机身较高的压力分布,鼓包排除附面层的效果与机身形状、唇口、进口位置以及飞行姿态等有关,对两侧布局方案,鼓包头部不宜太尖,曲面机身有利于附面层的排移.      

通用直升机隐身气动外形综合设计

对某型通用直升机进行隐身气动外形综合设计并对其参数化建模,通过数值模拟分析其隐身气动特性。电磁方面,采用物理光学法结合等效电磁流法进行RCS(Radar Cross Section)计算;气动方面,采用有限体积法求解Navier-Stokes方程计算直升机机身前飞状态下(不考虑旋翼气动干扰)的气动特性,结合工程经验公式估算旋翼对机身的气动干扰。结果表明:综合设计后,直升机雷达散射水平相对较低,机身前飞阻力得到较大的改善,但旋翼对机身的干扰作用有所增加;机身侧面(和垂尾)的倾角增大对直升机隐身特性有利,但对气动性能带来不利影响;选择合适的倾角可以使直升机在付出相对较小的气动代价前提下,降低雷达散射水平。     

低阻高隐身前缘布局特性研究

在高隐身布局设计研究中,为追求隐身特性,往往会损失部分气动效率。为更好地兼顾隐身特性和气动特性,通过对融合式布局的前缘进行修型,提出一种低阻高隐身前缘布局。对三种不同机身布局进行雷达散射特性和气动特性建模计算,得出修型后布局雷达散射截面降低,且波峰波瓣很窄,同时在气动上提高了升阻比,减小了配平损失,从而较大地提高了气动效率。     

飞翼布局无人机气动/隐身综合性能分析

为了分析飞翼布局无人机气动/隐身综合性能,将KD树结构的基本思想与射线跟踪法结合,计算了X-45C,X-47A,X-47B三种飞翼式无人机RCS;将CFD技术与逆向蒙特卡洛方法相结合,计算了无人机蒙皮红外辐射强度;基于灰色系统理论,运用灰关联度模型建立了无人机雷达隐身-红外隐身-气动性能综合性能评判方法。结果表明:X-45C气动/隐身总体性能最好;X-47B由于外翼段的存在,保证其低速状态下的高升阻比特性以及较优的气动特性;低马赫数大迎角飞行时,X-47B的气动性能是最好的。     

基于弹性体变形方法的多鼓包技术在飞翼无人机耦合进排气上减阻

为进一步提升飞翼布局无人机耦合进排气系统的气动性能,针对进排气附近翼面上多鼓包开展了减阻特性与优化设计研究。基于弹性体变形思想的FFD(Free-Form Deformation,自由变形)方法,对飞翼无人机多鼓包进行有效的参数化,并构建了网格自动生成方法;结合γ-e_(θt)转捩模型进行CFD数值模拟,利用RBF代理模型及多岛遗传算法进行多鼓包优化设计。结果表明:基于FFD方法的多鼓包技术设计变量较少,优化效率高;优化后推荐鼓包构型第一个为凹鼓包,后两个为凸鼓包;多鼓包优化模型具有显著的减阻效果,迎角6°下减阻量可达6.2%,随着迎角增大,减阻效果由摩擦阻力减小为主转为压差阻力减小占据主导。     

实体鼓包改进超临界翼型跨声速气动特性研究

采用风洞试验手段,初步研究了高速试验条件下二元翼型加载的实体鼓包高度、形状、安装位置等多方面因素对其减阻特性的影响,结果表明,实体鼓包可以减小阻力系数,在某些特定情况下(一般为中高升力系数情况下)可明显提高升阻比;实体鼓包的最佳应用场合是中高升力系数情况,小升力系数情况下不宜采用实体鼓包,如采用,则应使用较小的最大高度。为充分发挥实体鼓包的减阻作用,并且不至于因此导致气动性能的下降,最佳方法是采用自适应实体鼓包,根据需要随时改变其位置和高度。     

SMA鼓包迟滞建模与控制策略

激波控制鼓包SCB是一种减小激波阻力的流动控制技术。为了解决固定挠度鼓包工作范围较窄的问题,提出了一种具有双向记忆效应的形状记忆合金SMA鼓包,通过控制SMA鼓包的温度来改变其挠度。SMA鼓包最大可回复位移为6.1 mm,为鼓包变形区域的2.65%。针对迟滞现象对鼓包挠度控制的影响,基于（Krasnosel'skii-Pokrovskii,KP）模型对SMA鼓包的温度/挠度迟滞特性进行了建模研究。采用粒子群算法来辨识模型参数,辨识得到的迟滞模型最大误差为0.107 mm。设计了2种基于KP模型的PID控制方案,一种为无迟滞补偿的单目标PID控制,一种为迟滞逆模型前馈补偿的双目标PID控制。仿真与实验结果表明,迟滞逆模型前馈补偿的双目标PID控制时域性能优于无迟滞补偿的单目标PID控制。     

鼓包对舵的气动特性影响研究

 运用自适应八叉树结构直角网格 Euler算法对舵的流场进行了模拟。与无鼓包的舵相比较,带有鼓包的舵其气动特性,尤其是阻力有所变化。给出了直角网格生成方法以及 Euler方程解法。结果显示,本算法很准确地捕捉了激波,真实地模拟了该流场。在此基础上讨论了鼓包及其位置对舵的气动特性的影响。     

无人驾驶飞行器的气动特点和设计

首先论述了发展无人驾驶飞行器(UAV)的重要性,集中介绍了2种UAV的平台,包括:高空长航时UAV和无人战斗机(UCAV)。讨论了这2种飞行器空气动力特点和气动设计的主要问题。对于高空长航时UAV设计中要重点发展的专用翼型的设计,介绍了一种新型的杂交设计思想和提出了基于CFD技术的多目标多点优化设计的工具。讨论了此类飞行器三维机翼设计的基本要求和三维后掠自然层流机翼的设计。UCAV设计中强调了气动/隐身综合设计的重要性,讨论了无尾布局时新型先进气动控制和矢量推进相结合的必要和难点。     

飞翼无人机3种保形进气口进气道气动与隐身综合特性对比

基于飞翼布局无人机隐身与结构装载布置要求,保形设计了3种进气口形状的背负式S弯进气道,按照进口投影截面形状上、下底之比顺序排列,分别为三角形、梯形和矩形.利用数值模拟方法对无人机内外流场耦合流动进行计算分析,且基于射线弹跳(SBR)法对进气道电磁散射特性进行仿真研究,获得了飞翼无人机3种进气道的气动与隐身综合特性.研究结果表明:①矩形进气道模型升阻和纵向力矩特性表现均最好;②3种 进气道模型按顺序排列总压恢复系数逐渐增大,畸变指数逐渐减小,进气道沿程气流也逐渐顺畅,矩形进气道模型进气道内流特性最优;③0°迎角下3种进气道模型雷达散射截面(RCS)均值基本呈现先增大后减小的特征,进气道终端开放时矩形进气道模型隐身性能最好,而终端短路时三角形进气道模型隐身效果更优异.      

低RCS飞行器外形设计实践

 在鸭式布局的基础上 ,对飞行器各部件及部件间的连接方式进行了外形隐身设计。对初步形成的鸭翼 -翼身融合体改变机身头部形状和立尾配置等进行 RCS优化。给出了飞行器各种状态下的 RCS平均值和迎头± 45°区内的 RCS值。测试结果表明 ,尖头机身、 30°双立尾 (立尾与垂直平面成± 30°角 )的鸭翼 -翼身融合体的 RCS值最小。对 RCS优化后的外形 ,风洞测力试验表明其气动性能也较好 (最大升阻比达到 8,失速迎角超过 2 6°)     

隐身外形飞行器用埋入式进气道的设计与风洞实验研究

本文为隐身外形飞行器用埋入式进气道发展了一套设计方法。该方法的理论基础是埋入式进气道进气机理和气动S弯概念,其关键技术包含通道中心线设计、横截面面积变化规律设计以及横截面形状设计等,各技术可以方便地用数学方法加以描述,整个方法易于编程实现。并结合一种隐身外形无人机提出了埋入式进气道方案,通过实验得到了此类隐身外形飞行器用埋入式进气道的气动特性。结果表明,所提出的埋入式进气道方案可行,所设计的模型进气道性能良好,所发展的设计方法合理。同时验证了埋入式进气道进气机理的正确性,也表明隐身外形飞行器与埋入式进气道的组合方案具有十分光明的应用前景。     

飞翼无人机保形进气道耦合进口格栅气动与隐身综合特性

基于飞翼无人机(UAV)保形进气道和工程应用实例,进行了不同格栅间距的格栅设计。结合多层快速多极子方法(MLFMM)和混合网格计算方法,开展了保形进口格栅气动和隐身综合特性研究。结果表明:①随着格栅尺寸（间距)减小,格栅隐身效果逐渐增强;频率为1GHz下,格栅间距为波长的1/3时,格栅电磁屏蔽效率约为48.93%,而当格栅间距达到波长的1/6时,接近于完全屏蔽;②保形进口格栅对无人机翼面上流动干扰较小而对进气道内流特性影响明显;③随着格栅尺寸减小,全机升阻特性逐渐略微下降,进气道出口截面总压恢复逐渐降低而畸变指数逐渐增大。      

大展弦比前掠翼气动隐身多目标优化

前掠翼布局优越的气动性能为无人机气动布局设计提供了一条新的方向。采用CST方法对翼型几何外形进行参数化描述,实现前掠翼气动和隐身多学科优化设计模型的参数化描述。建立了基于N-S方程的计算流体力学方法的前掠翼气动分析模型和基于矩量法的计算电磁学方法的前掠翼隐身分析模型。提出了基于Kriging模型的前掠翼气动隐身多目标优化方法,采用拉丁超方试验设计方法获取样本点,建立前掠翼气动和隐身的Kriging代理模型。将Pareto多目标遗传算法与Kriging代理模型结合进行大展弦比前掠翼的气动隐身多目标优化设计。研究结果表明,所建立的分析模型是合理的,所提出的多目标优化设计方法是可行的,能够有效提高大展弦比前掠翼性能与优化效率。     

类X?47B无人机菱形编队气动干扰数值模拟

设计了一种由4架类X?47B飞翼布局无人机（UAVs）组成的菱形编队。通过求解RANS方程的数值模拟方法,研究了菱形编队无人机气动干扰问题,详细分析了影响机理,定量给出了编队减阻效果。计算结果表明:头机气动性能基本保持不变。两侧僚机受上洗气流影响,其减阻效果明显。尾机主要受下洗气流影响,其阻力增大,对编队久航和远航不利。在重力配平条件下,两侧僚机飞行阻力的减小是由攻角减小和诱导阻力减小共同引起的。尾机在编队中飞行阻力的增大主要是攻角增大带来的阻力增加,诱导阻力增大仅带来了20%的阻力增量。从减小下洗气流对尾机的不利影响出发,对不同垂向间距的尾机升阻特性进行了研究,并参考雁群头鸟变换行为机制,给出了无人机菱形编队飞行建议。      

穿越微下冲气流的飞翼布局无人机控制方法

微下冲气流是最危险的低空风切变形式,为在起降阶段安全穿越该气流,飞翼布局的无人机控制律应具有快速响应能力和良好的鲁棒性。针对大展弦比飞翼布局无人机舵面附加升力大和低速状态俯仰操纵效能低的特点,提出了舵面附加升力和机体气动力相结合的复合控制方案,改进了以输出误差为参考量的非线性指令分配策略,设计了基于迎角保护的指令分配策略。将风干扰和模型的不确定性视为未知扰动,采用自抗扰控制(ADRC)理论设计飞翼布局无人机非线性控制律,使之对风干扰和模型的不确定性进行估计补偿。仿真结果表明,复合控制与ADRC相结合的方法加速了航迹倾角的单位阶跃响应速度,使上升时间缩短了64%,同时能够实现对风干扰的有效观测和补偿,使高度损失低于2m;能够在风切变中有效保护迎角,使其维持在5.5°以内。因此,该方法能够为飞翼布局无人机安全平稳地穿越微下冲气流提供一种参考方案。     

双喉道喷管与飞翼布局无人机气动数值研究

利用超椭圆方法,设计了双喉道射流矢量喷管的气动外形,并采用S-A湍流模型数值研究了次主流压比、次流方向及喷管外形参数对其气动特性的影响。研究表明,当确定次主流压比SPR=3时,可依次确定该型喷管外形参数分别为空腔长度l=3h,空腔扩张角θ1=10°,空腔收敛角θ2=30°,二次流注入角α=120°时,矢量喷管的气动特性最优。将设计的气动最优喷管与飞翼布局无人机后体进行一体化设计,数值模拟了喷管对飞翼布局无人机升阻特性的影响,结果表明,双喉道射流矢量喷管能够很好地运用于飞翼布局无人机。     

螺旋桨滑流对菱形翼布局无人机气动的影响

采用基于混合网格技术及k-k_L-ω转捩模型求解雷诺平均Navior-Stokes （RANS）方程的多重参考系（MRF）方法对带桨状态的低雷诺数菱形翼布局无人机（UAV）的气动特性进行了准定常数值模拟,通过对无人机带桨状态和干净构型的气动力系数及流场结构特性进行对比分析,研究了螺旋桨在不同安装位置时其滑流对菱形翼布局无人机气动特性的影响。研究结果表明,螺旋桨滑流并不总能提高无人机的升力特性;螺旋桨安装在机头及前翼时后翼受到螺旋桨滑流形成的组合涡系的影响,其气动性能有较大的变化;螺旋桨滑流对机翼的增升作用还受到机翼掠角和螺旋桨旋转方向的影响;受布局特性影响,当安装位置远离焦点时,螺旋桨滑流对无人机的俯仰力矩特性影响较大。