空天飞行器机翼/翼型的需求分析及应用

空天飞行器飞行空域大,速域宽,经历亚/跨/超/高超声速飞行,气动特性变化大,传统翼型难以同时满足低速、高速时的设计要求,给机翼/翼型设计提出了新的挑战.本文围绕飞行环境特点,分析了低速高升力与高速高升阻比、升重匹配、结构热防护等设计要求,提出了空天飞行器对机翼/翼型设计的新需求.基于一种新的宽速域翼型,采用数值模拟方法,开展三维流动下翼型与机翼平面形状的一体化优化设计,获得了一种翼型沿展向变化的新机翼,相对优化前,低速时机翼产生的升力效率提高了36.3％,超声速和高超声速升重平衡升阻比分别提高了33.4％和12.9％,新机翼能更好地兼顾低速、跨声速、超声速和高超声速气动性能的要求.将新机翼应用于典型空天飞行器,再通过全机气动外形优化设计,进一步提高了宽速域飞行时升重平衡下的使用升阻比,高亚声速时提高了5.9％,超声速时提高了10.3％,高超声速时提高了0.7％,解决了低速飞行时高升力与高速飞行时高升阻比的需求矛盾,并获得了一种满足宽速域总体设计要求的空天飞行器气动布局.研究成果具有一定工程指导意义.     

面向高超声速飞行器的宽速域翼型优化设计

宽速域气动设计是水平起降高超声速飞行器研制的瓶颈问题之一.水平起降高超声速飞行器在飞行过程中需要经历亚、跨、超和高超声速多个速域,而适应不同速域的最佳气动外形相互矛盾,使得实现良好的宽速域气动设计面临极大挑战.首先,针对高超声速飞行器宽速域翼型气动设计问题,发展了基于代理模型的高效全局气动优化设计方法,并设计出一种相对厚度为4％、有一定弯度、下表面具有双"S"形特征的宽速域翼型.将新翼型与常规四边形和双弧形翼型进行了气动特性对比,并进行了流动机理分析,结果表明新翼型的宽速域综合气动特性显著优于常规翼型,从而证明发展兼顾亚、跨、超和高超声速气动性能的宽速域翼型是可行的.其次,开展了宽速域翼型的多目标优化设计,通过分析Pareto解集中翼型的宽速域气动性能随几何外形变化的演化规律,进一步解释了有一定弯度、下表面呈双"S"形的薄翼型能够协调亚、跨、超声速与高超声速气动性能的原理.最后,采用平面外形为梯形的机翼,进行了三维机翼构型下的宽速域翼型多目标优化设计.三维优化设计结果与二维结果具有相似的几何特征和压力分布,说明这种通过下表面双"S"形小弯度薄翼型来兼顾亚、跨、超和高超声速气动性能的宽速域流动机理同样适用于三维情况,也证实了翼型设计对于宽速域高超声速飞行器仍然具有重要意义.     

高超声速飞行器宽速域翼型/机翼设计与分析

对于现代高超声速飞行器的设计而言,除了需要保证高超声速的性能外,还必须兼顾满足工程需求的亚跨超声速特性。首先,采用雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程流动求解器,结合基于Kriging模型的代理优化算法,开展了高超声速飞行器宽速域翼型的优化设计研究,设计出了一种下表面具有双"S"形特征的新翼型。综合性能评估结果表明,该翼型相比于常规的高超声速翼型,在跨声速和高超声速下具有更加优良的气动特性;其跨声速状态下的升阻比达到78.9,高超声速状态下的升阻比达到5.94,能够实现宽速域内良好的综合气动性能。其次,开展了仿德国"桑格尔号"（SANGER）空天飞机运载机机翼的气动特性研究,对配置宽速域翼型与常规高超声速翼型的机翼进行了气动力特性综合对比分析。结果表明,配置新翼型的机翼在宽速域范围内整体气动性能更优,说明所设计的宽速域翼型在三维机翼上也具有一定的实用价值。     

涡波效应宽速域气动外形设计

拓展了密切锥乘波体设计方法的应用,推导了设计方法中激波出口型线、流线追踪起始线与平面形状轮廓线之间的几何关系,建立了定平面乘波体设计方法。通过定制乘波体的平面形状引入涡效应,提出涡波效应宽速域气动布局的概念,即在高超声速状态下使用激波效应、在低速状态下使用漩涡效应提升布局的总体性能。以双后掠布局为例,使用CFD方法评估其高速和低速状态的气动性能,与带锥体的平板进行对比,分析了升阻比、升力系数以及流场特性,初步给出了非线性增升效果。计算结果表明：当前定平面乘波体布局在低速状态和高超声速状态均具有较好的气动性能,弥补了传统乘波体的性能缺陷,为宽速域气动布局的设计提供了新的思路。     

有翼高超声速再入飞行器气动设计难点问题

有翼高超声速再入飞行器是近年来的研究热点,气动设计是飞行器设计的关键。为了更清楚地认识有翼高超声速再入飞行器气动设计的难点问题,对有翼高超声速再入飞行器的发展、优势及总体任务剖面进行了介绍,从5个方面详细介绍了该类飞行器气动设计的难点问题,包括多约束复杂面对称气动布局设计、高温真实气体效应对气动特性影响、天地差异与天地换算方法、反作用控制系统(RCS)喷流干扰对气动特性的影响以及气动数据不确定度等,简要阐明了这些难点问题对总体设计的重要性以及初步的解决思路,为有翼高超声速再入飞行器气动设计提供了一些参考。     

新型乘波体设计及其研究现状

将乘波体设计方法与常规飞行器成熟的设计方法和智能变形等新技术进行结合,可以设计出新型的乘波体,如多级压缩乘波体、双(多)级乘波体和可变形乘波体。对近几年出现的几类新型乘波体的设计及其研究进展进行了总结。新型乘波体的总体性能得到了显著提高,多级压缩乘波体可充分发挥其预压缩性能,两(多)级乘波体在设计点和非设计状态下均具有良好的气动性能,可变形乘波体在宽马赫数条件下始终能保持优良的气动性能。新型乘波体增强了实用性,可用于宽速域高超声速飞行器的气动外形设计中。应进一步拓展这些新型乘波体设计方法的应用范围,并深入开展宽速域高超声速乘波飞行器气动外形设计和性能分析,以期为乘波飞行器的研制打下坚实的基础。     

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。     

涡升力乘波体发展研究综述

乘波飞行器在高超声速具有良好的气动性能,但偏离设计状态,气动性能则难以保持。为在宽速域范围能一直维持较好的气动性能,研究人员利用定平面形状乘波设计的优势,提出“涡升力”乘波设计。本文将涡升力乘波体的设计方法归纳为基于吻切理论的定前缘型线法、基于激波装配法的波导体法和基于给定激波面的投影法三大类,综述了涡升力乘波体在宽速域气动特性的相关研究进展,并对涡升力乘波体的后续研究提出建议。     

高超声速飞行器一体化纵向气动特性分析

高超声速飞行器机体/推进一体化构型具有高性能、高升阻比等优点,但由于气动、推进与控制作用相互耦合,给飞行动力学模型研究带来新的挑战。基于高超声速飞行器空气动力学理论,研究了一体化的气动推进计算方法。该方法采用斜激波理论、普朗特迈耶公式及激波膨胀波理论计算了高超声速飞行器气动力及推力,通过与CFD的计算结果比较,验证了方法的准确性与可靠性。最后对飞行器的纵向气动特性进行了分析与讨论。     

飞发一体化算力体系及算力参数敏感性

飞行器/发动机一体化是制约吸气式高超声速飞行器的核心和关键技术,本文针对高超声速飞发一体化构型开展了算力体系划分及算力参数敏感性研究。通过将一体化飞行器不同部件划分至气动和推进系统,研究了算力体系划分对气动/推进性能指标的影响,结果表明对于飞发一体化构型,在不同算力体系下表征的飞行器气动/推进性能可能存在较大差异,横向比较飞行器气动/推进性能必须在明确算力体系条件下进行。采用正交试验设计+方差分析的方法分析了飞行器算力对空域、速域、飞行姿态、气动热效应、真实气体效应5个因素的敏感性,结果表明壁面温度是影响飞行器轴向力计算的敏感参数,马赫数和攻角几乎影响所有气动指标。在研究范围内,雷诺数和气体比热比是飞行器气动性能的不敏感参数。     

宽速域翼尖涡及其与斜激波相互作用

针对宽速域飞行器产生的翼尖涡及其与斜激波相互作用问题,采用数值模拟方法,在来流马赫数0.2～6.0范围内,研究了翼尖涡的演化特性,并探讨了斜激波诱导翼尖涡破碎的机理。结果表明,在宽速域范围,翼尖涡的切向速度和环量分布仍然符合低速流动中的自相似关系式;在超声速至高超声速流动中,翼尖涡强度沿流向更快地减弱;当翼尖涡与斜激波相互作用时,涡核处压力越低的翼尖涡更容易破碎,而经典的涡破碎理论难以在宽速域范围内准确预测涡破碎现象;通过引入涡核处的压力亏损效应修正经典理论,大幅提升了预测斜激波诱导翼尖涡破碎的能力。     

迎角动态变化对二元高超声速进气道气动特性的影响

针对高超声速飞行器受到扰动后迎角可能会发生瞬时大幅度改变或振荡的问题,对来流马赫数为4.03、迎角动态变化的二元高超声速进气道流场进行了非定常数值模拟,分别在进气道等速上仰和按正弦波振荡条件下研究了迎角动态变化对进气道气动特性的影响。计算结果表明:迎角动态变化时,进气道流场特征和性能参数的变化规律和稳态时情况基本保持一致,但是存在明显的迟滞现象;二元高超声速进气道动态上仰的迎角速率越大,进气道发生不起动时的迎角值越大;在进气道下壁面附近的低速区,非定常效应的影响显著,受进气道固壁面运动的影响,低速区的产生、发展及消失影响进气道气动特性。     

高超声速多体分离过程气动加热计算技术

发展了无粘外流解与气动热工程方法相结合的用于全机外形复杂流动气动加热计算技术,并将其与动态多体分离过程流场解相结合,提出了一种高超声速飞行器多体分离过程气动加热特性计算技术,然后耦合结构传热,实现了飞行器热防护系统中结构材料温度分布特性的数值模拟。采用本文方法,针对假定高超声速多体分离布局及飞行条件开展了分离过程中的结构温度分布特性与热流密度分布特性计算,分析并给出了组合体分离过程中部件干扰对气动热的影响特性。结果表明本文发展的计算技术可为高超声速飞行器的防热方案设计、气动热特性定性分析及热防护系统设计等提供技术支持。     

前缘钝化对高超声速飞行器气动特性的影响

为解决前缘钝化后由于外形的变化引起周围流场改变,导致激波形状发生变化而影响飞行器气动特性的问题,对前缘钝化后的吸气式高超声速飞行器气动特性进行了研究。对比分析了前缘钝化对吸气式高超声速飞行器气动特性的影响,得出了吸气式高超声速飞行器气动性能参数随着钝化半径的变化规律。研究结论可为乘波构型的高超声速飞行器一体化设计提供一定的依据。     

类乘波体飞行器的气动力工程计算

为估算高超声速类乘波体飞行器的纵向气动力,以三角形面元逼近飞行器外形,根据飞行器迎/背风面情况分别采用达黑姆-巴克法、普朗特-迈耶耳法、切锥法和膨胀波方法计算无粘气动力;通过经验公式估算粘性阻力,并考虑飞行器主要部件之间的气动干扰情况,计算了翼片之间、翼身之间的气动干扰因子,得到整个飞行器的气动力。为验证该方法,以某飞行器为例进行了计算,计算结果与CFD吻合。     

双向飞翼空天飞行器概念外形研究

空天飞行器飞行速域宽,气动外形需同时考虑起飞高升力与超/高超声速高升阻比需求,给飞行器的气动布局设计带来很大难度。双向飞翼飞行器概念具有两个互相垂直的对称面,在亚声速时以大展弦比模态飞行,可获得足够的升力,超/高超声速时以小展弦比模态飞行,可尽量降低激波阻力,飞行模态转换的转换通过机身旋转90°实现,可能解决宽速域高升阻比设计矛盾。本文据此构建了一种双向飞行空天飞行器外形,并开展了CFD数值仿真。结果表明,与Sanger类常规布局的空天飞行器相比,双向飞翼概念外形的亚声速时最大升阻比为16,提升30%~50%;高超声速段升阻比性能基本相当,最大升阻比4,说明该外形是一种有潜力的空天往返飞行器方案。在此基础上,从飞行器技术实现角度,系统梳理了双向飞翼飞行器方案面临的三大技术难点,并提出了可行的解决途径或可能的攻关方向。针对飞行器纵向静不稳定度偏大问题,提出调整机身平面形状和剖面形状等,可使静不稳定度降低至10%以内;针对飞行模态转换控制困难问题,创新性地提出了一种基于非对称垂尾的控制方法,在飞行器两个飞行模态下各安置一片垂尾,在提供了足够的模态转换控制力矩的同时,改善了飞行器的横航向稳定性;针对发动机耦合设计问题,提出了一种新的涡轮和火箭发动机独立垂直布置的方法,降低了空天飞行器对组合动力技术的依赖性,有助于双向飞翼空天飞行器的早日实现。     

通用大气飞行器的参数化气动布局研究

提出了一种新的升力体类通用大气飞行器布局方案.应用基于二次曲线的模线设计方法,通过二次曲线的控制点和形状参数实现参数化外形建模,构造适用于通用大气飞行器的升力体布局方案,提高飞行器气动布局方案的设计效率,为进一步的气动特性计算和布局方案设计优化奠定基础.采用修正的内伏牛顿流理论,对通用大气飞行器进行高超声速气动特性计算,并进行了质心设计,获得的高超声速稳定配平升阻比达到3.5以上.进行了控制舵面设计和控制效率的计算分析.     

通用航空飞行器参数化建模及气动特性分析

提出一种新的通用航空飞行器布局方案。应用基于二次曲线的模线设计方法,构造通用航空飞行器翼身组合体的布局方案。通过二次曲线的控制点和形状参数实现参数化外形建模,提高了布局方案设计的效率,为进一步的气动特性计算和布局方案设计优化奠定了基础。采用修正的牛顿流理论和一阶平面面元法,对通用航空飞行器进行高超声速气动特性计算,并对其飞行轨迹进行了仿真和优化。计算结果验证了通用航空飞行器布局方案的合理性,显示了参数化外形建模方法在通用航空飞行器布局选择和进一步深入研究中的实用性。     

局部催化特性差异对气动热环境影响的计算分析

高温气体非平衡效应及其壁面催化效应对高超声速飞行器气动热环境造成显著影响,是当前高超声速飞行器气动热环境预测和热防护设计的关键问题之一。考虑高温空气离解与电离等化学反应、气体分子热力学激发、流动中的非平衡效应和壁面催化效应,通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程和壁面处质量、能量平衡关系,完善了高温气体热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法和计算程序,采用典型算例进行了考核验证。在此基础上,开展了不同条件下高超声速飞行器热化学非平衡流场气动热环境数值模拟,分析局部催化特性差异对气动热环境的影响。研究表明：所建立的高超声速飞行器热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法及程序,其数值模拟结果与飞行试验、文献符合;局部催化特性差异会导致热流跳变,其热流跳变量与催化特性差异量、材料分布方式等有关;催化特性差异较大时,局部区域热流可能远远高于飞行器全表面完全催化的热流结果,此时将飞行器在全表面完全催化（FCW）和完全非催化（NCW）条件下的数值模拟结果作为实际飞行过程中表面热流的上、下限这一简化处理方式,是不可取的。     

吸气式高超声速飞行器机体/推进一体化设计技术研究进展及分类对比分析

为了探索吸气式高超声速飞行器机体/推进一体化设计技术新理念,按照高超声速飞机和SSTO/TSTO分类对其一体化设计技术主要研究进展进行了对比分析,结果表明:高超声速弹用一体化设计技术采用将进气道直接作为前体的方案较多;高超声速飞机一体化设计技术需重点兼顾宽速域整体气动性能;SSTO/TSTO一体化设计技术则由于火箭发动机的引入在一定程度上改善了其对一体化设计的具体需求;同时,近年来高超声速内/外流"弱干涉"和"无干涉"等新型一体化设计技术已逐渐成为一个重要发展方向。对背负式进气的内/外流"无干涉"一体化和常规腹部进气的前体预压缩内/外流"强干涉"一体化方案开展初步对比,研究表明"无干涉"一体化方案升阻比等气动性能更优,同时整体气动特性对飞行条件变化不敏感,具有更好的宽速域适应性,值得进行深入研究。