航天器返回地球的气动特性综述

航天器返回地球的飞行过程中,气动特性是实现将宇宙飞行速度减到落地前速度、保证再入飞行得到有效控制以及再入防热安全可靠的关键因素。针对简单旋成体气动外形、半弹道式再入控制、烧蚀防热类返回航天器,综述了返回地球过程中变化的空气流域特性、航天器周围的气体绕流环境、空气与航天器作用产生的动力学与热效应等。系统地给出了该类航天器的再入气动特性参数与飞行性能的共性规律,包括:气动阻力与再入减速、气动升力与再入轨迹控制、配平攻角与飞行稳定性、气动加热与防热,以及再入过程中不同气动特性航天器、气象条件变化等对再入飞行性能的影响规律。为航天器开展返回飞行过程的跨流域气动性能工程研制提供设计参考。     

小型无人涵道飞行器飞行动力学特性

为了研究无人涵道飞行器的配平特性与稳定性,首先进行了全尺寸涵道螺旋桨风洞吹风试验,分析了涵道螺旋桨的气动特性并建立了涵道螺旋桨的气动模型,在此基础上建立了无人涵道飞行器的飞行动力学数学模型,对无人涵道飞行器进行了配平特性与稳定性分析.结果表明:前飞速度与迎角对涵道螺旋桨气动特性影响很大,导致无人涵道飞行器在不同前飞速度下稳定性与操纵性变化较大.在悬停及小前飞速度下,无人涵道飞行器是一种类似倒立摆的不稳定体,而且气动阻尼较小,无人涵道飞行器的速度与姿态角发散很快,倍幅时间约为0.5s;在大前飞速度下,无人涵道飞行器的气动阻尼增加,飞行稳定性改善,但出现了纵向反操纵现象,增加了无人涵道飞行器的飞行控制难度.     

飞行器阵风响应的CFD-6DOF仿真分析

飞行器在大气中飞行,不可避免地受到阵风的影响。阵风所附加的气动载荷引发飞行器飞行状态的改变,过大幅值的阵风影响飞行的性能与安全。针对这种状况,首先采用改进的Lamb-Ossen涡模型,建立尾涡形式的阵风场;然后采用基于CFD技术的非定常N-S方程求解,并在计算网格中引入"网格速度"来模拟阵风,对SWIM(Subsonic Wall Interference Model)尾涡中的定常气动特性进行验证;最后通过CFD-6DOF的耦合,对SWIM俯冲穿越尾涡场的飞行轨迹进行研究。结果表明:计算结果与实验值符合较好;SWIM在尾涡中飞行时出现抖动、下沉、改变飞行状态、剧烈翻转的现象,与实际飞行器进入尾涡中的轨迹特性类似。     

人工智能与空气动力学结合的初步思考

以人工智能为核心的新一轮技术革命及产业变革正在影响着社会的各个领域,世界各航空航天大国均在人工智能与空气动力学的结合方面开展了许多有益的尝试与探索。本文回顾了人工智能技术的发展历程及现状,重点讨论了大数据时代背景下人工智能在风洞试验、数值计算和飞行试验等空气动力学研究的三大手段上的应用,详细分析了人工智能在辅助海量气动数据分析与知识发现上发挥的作用,探讨了人工智能在气动建模与先进飞行器设计中蕴藏的应用价值,并指出了人工智能与空气动力学相结合所带来的挑战。     

斜置机翼变构飞行器纵向操稳特性分析

以一类斜置机翼变构飞行器为研究对象,分析了变构对其气动特性和运动状态的影响及其操稳特性。运用牛顿-欧拉法建立了飞行器多刚体纵向动力学模型,突出了斜置机翼变构时所产生的模型差异;基于动力学模型,研究了斜置机翼变构对飞行器气动特性和飞行状态的影响规律;结合飞行器的气动数据对飞行器纵向操稳特性进行了分析。结果表明：对于机翼整体质心与机身质心在x₁O₁z₁平面重合的斜置机翼飞行器,机翼旋转变构对飞行器整体只产生了绕z轴方向的附加力矩,总的附加力为零;变构过程改变气动压心位置,使飞行器产生静不稳定;由于飞行器不同状态下对舵偏的传递函数中阻尼系数过小,导致飞行器的超调量和调节时间异常,需要进行修正。     

一种减小再入飞行器侧向气动非线性的布局优化方法

为改善升力式再入飞行器在跨声速段出现的侧向气动特性非线性问题,发展了一种基于Kriging代理模型的自适应迭代气动布局优化方法。设计了一种常规升力式再入飞行器布局,计算了该布局在跨声速段的侧向气动力,分析了可能影响侧向气动特性的机翼布局参数。根据气动布局优化流程,计算了气动布局样本气动特性,建立了布局参数到侧向力矩系数导数的代理模型,完成了以减小飞行器侧向非线性为目标的布局优化设计。优化布局的气动特性计算结果表明,所发展的方法是可行和有效的。该项研究为再入飞行器减小侧向气动非线性提供了新的布局设计途径,有利于降低控制系统设计难度,保障飞行安全。     

微型涵道飞行器飞行力学模型研究

微型飞行器(MAV)非线性飞行力学模型研究是MAV设计中的一个重要环节。微型涵道飞行器由于大包线、尺寸小、速度低、气动布局特殊,其飞行力学特性具有显著的非线性特性。以低雷诺数风洞实验为基础,研究了微型涵道飞行器的空气动力学特性,并采用CFD方法计算了微型涵道飞行器的动导数。在此基础上建立了微型涵道飞行器的飞行力学模型,并计算了基本飞行性能和配平曲线。结果表明,微型涵道飞行器与常规飞行器相比有很大差异,可以完成悬停、垂直起降和前飞的大包线飞行。     

高速柔性飞行器耦合动力学研究进展

针对以超声速或高超声速飞行的高速柔性飞行器,气动加热、气动弹性与飞行动力学间的相互耦合效应更加显著的情况,综述了高速柔性飞行器耦合动力学的研究现状与进展,包括弹性变形引起的非定常气动力的主要计算方法、受热结构气动弹性分析、气动弹性与飞行耦合动力学分析等.最后,提出了高速柔性飞行器耦合动力学研究中需要进一步关注的方向及问题.     

大迎角下飞行器的气动外形与飞行动力学优化研究

本文探讨了大迎角下飞行器的气动外形选择和飞行动力学问题,并将其发展为一套计算机程序,以供下一代高性能战斗机的气动外形设计及性能计算所用。该程序可用于带涡升力面飞行器的最优气动外形选择,最优超机动性能计算和大迎角下的动态稳定性分析。     

2.4 m跨声速风洞虚拟飞行试验技术研究

风洞虚拟飞行试验(WTBVFT)技术是在风洞环境中对飞行器机动运动最逼真模拟的物理过程,它不仅可以更加有效模拟飞行器的机动运动过程、获取气动/运动耦合特性和揭示气动/运动耦合机理,而且能够实现气动/飞行力学集成的相容性研究。鉴于此,简要介绍了2.4 m跨声速WTBVFT技术,包括:相似准则和模拟方法、试验模型支撑技术、气动/运动参数测试技术和操纵控制技术等,并开展了典型导弹模型开环控制、姿态角闭环控制、加速度闭环控制、俯仰/滚转耦合与解耦控制以及靶试弹道验证等WTBVFT。研究结果表明:WTBVFT系统运动灵活,气动参数和运动参数测量结果准确可靠,能够有效模拟导弹实际飞行过程,具备闭环控制与耦合运动解耦控制的试验模拟能力,初步形成了气动/飞行力学一体化试验研究能力。同时,该研究也为开展控制方法优化与验证、数据修正与应用以及发展复杂构型的WTBVFT奠定了技术基础。     

翼型及钝体的气动导纳

自20世纪60年代Davenport提出钝体气动导纳概念之后,气动导纳一直是钝体空气动力学研究的焦点之一.本文通过大量风洞试验,研究了湍流场中NACA0012翼型和七种典型钝体截面的非定常气动力,试验中首次采用同步脉动压力测量技术,气动导纳的识别采用统计理论.试验得到如下两个主要结论:对于某一给定的几何断面,非定常气动力与湍流各脉动分量存在着不同的气动导纳:流线型体的气动导纳对攻角变化较敏感,而对钝体的影响不太明显.     

旋翼尾流对空空导弹的气动干扰研究

直升机发射导弹时,旋翼尾流对导弹产生很强的气动干扰,研究旋翼尾流对导弹的气动干扰对于改进机载导弹发射技术具有重要意义。结合动量理论和涡流理论,推导了桨叶环量方程,用广义尾流模型计算了旋翼下洗流场。并在此基础上用工程方法计算了有旋翼尾流干扰和无旋翼尾流干扰两种条件下的某空空导弹气动特性,揭示了旋翼尾流对导弹的气动干扰规律,为直升机载导弹的发射控制提供了参考依据。     

基于伴随理论的大型客机气动优化设计研究进展

大型民用客机的气动设计具有巡航马赫数高、部件间流动干扰复杂、外形精细化修形难度大等特点，完全依靠人工试凑法进行气动设计工作量巨大。基于高可信度数值模拟的优化设计技术可以对该类问题进行自动寻优设计，给设计师提供有力参考，因此在大型民用客机气动设计中发挥着越来越显著的作用。首先，以大型民用客机为背景，总结了民机气动设计中的关键科学问题，指出了梯度优化设计方法在民用客机不同优化设计问题中的适用性，并进一步对梯度求解中的伴随方法理论进行了详细介绍。然后，分析了基于伴随理论的气动优化设计方法以及气动结构多学科优化设计方法在民用客机设计中的研究进展，其中气动优化设计方面着重突出了复杂全机多部件气动外形优化设计方法以及飞机/发动机一体化优化设计方法。最后，对基于伴随理论的气动优化设计方法在大型民机中的应用进展进行了提炼，对未来发展趋势进行了展望与建议。     

跨声速机翼静气动弹性数值分析方法

本文给出一种以改进的跨声速守恒型全位势有限体积法为基础的机翼静气动弹性数值分析方法。改进发展了气动网格划分技术，使其对大后掠三角形机翼也能顺利适用。采用位移法计算机翼柔度影响矩阵。将非线性气动力与结构线化机翼弹性变形耦合迭代求解。当气动力和结构变形均收敛后，即求出弹性机翼的气动特性。通过算例计算，表明气动方法改进是成功的，弹性结果是合理的。跨声速范围弹性影响大，值得注意。     

超低轨航天器气动特性快速预测的试验粒子Monte Carlo方法

超低轨(LEO)卫星气动特性的快速准确计算是对其进行轨道预测和控制的关键输入条件。基于真空技术领域中计算管道分子流率的试验粒子Monte Carlo(TPMC)方法,结合自由分子流理论,发展了一套快速准确预测低轨卫星气动特性的TPMC方法,给出了其模拟步骤及主要关键技术点,并采用该方法模拟了带电池翼超低轨卫星的气动特性和航天器典型构件之间的多次反射效应。结果表明:TPMC方法在计算超低轨航天器气动力、力矩时具有较高的可靠性和对工程复杂外形的适用性;该方法能够准确模拟自由分子流理论无法求解的多次反射问题,给出正确的气动力系数;该方法的计算速度比直接模拟Monte Carlo(DSMC)快3~4个量级,存储量要求也比后者低1~2个量级,是超低轨航天器气动特性快速准确预测的一个理想方法。     

直升机机动飞行旋翼的气动力模拟

探讨了预测机动飞行旋翼气动力的细节问题。在考察非均匀诱速分布、入流动力学和非定常翼型性能的基础上,建立了一种模拟非定常旋翼气动力的新方法。对某一特定机动科目,首先由逆解技术得到操纵输入和飞行姿态;然后综合应用涡流理论、动力入流理论和非定常翼型气动模型来数值模拟非定常的旋翼气动力。通过样例分析给出了紧急转弯和平飞跃升的计算结果。     

Adaptive control for feedback-linearized missiles withuncertainties

A robust adaptive control scheme is proposed that can be applied to a practical autopilot design for feedback-linearized skid-to-turn (STT) missiles with aerodynamic uncertainties. The approach is to add a robust adaptive controller to a feedback-linearizing controller in order to reduce the influence of the aerodynamic uncertainties. The proposed robust adaptive control scheme is based on a sliding mode control technique with an adaptive law for estimating the unknown upper bounds of uncertain parameters. A feature of the proposed scheme is that missile systems with aerodynamic uncertainties can be controlled effectively over a wide operating range of flight conditions. It is shown, using Lyapunov stability theory, that the proposed scheme can give sufficient tracking capability and stability for a feedback-linearized STT missile with aerodynamic uncertainties. The six-degree-of-freedom nonlinear simulation results also show that good performance for several uncertainty models and engagement scenarios can be achieved by the proposed scheme in practical night conditions     

Transition prediction and sensitivity analysis for a natural laminar flow wing glove flight experiment

Natural laminar flow technology can significantly reduce aircraft aerodynamic drag and has excellent technical appeal for transport aircraft development with high aerodynamic efficiency. Accurately and efficiently predicting the laminar-to-turbulent transition and revealing the maintenance mechanism of laminar flow in a transport aircraft’s flight environment are significant for developing natural laminar flow wings. In this research, we carry out natural laminar flow flight experiments with different Reynolds numbers and angles of attack. The critical N-factor is calibrated as 9.0 using flight experimental data and linear stability theory from a statistical perspective, which makes sure that the relative error of transition location is within 5%. We then implement a simplified e^N transition prediction method with a similar accuracy compared with linear stability theory. We compute the sensitivity information for the simplified e^N method with an adjoint-based method, using the automatic differentiation technique (ADjoint). The impact of Reynolds numbers and pressure distributions on TS waves is analyzed using the sensitivity information. Through the sensitivity analysis, we find that: favorable pressure gradients not only suppress the development of TS waves but also decrease their sensitivity to Reynolds numbers; there exist three special regions which are very sensitive to the pressure distribution, and the sensitivity decreases as the local favorable pressure gradient increases. The proposed sensitivity analysis method enables robust natural laminar flow wings design.     

飞行器气动-隐身综合性能评估的灰关联度分析模型

 采用结构化网格和求解Navier-Stokes方程的方法,进行了无人机和巡航导弹气动性能计算,并数值模拟了其气动流场,所得结果与工程实际现象吻合;分别建立了无人机和巡航导弹的曲面及面劈模型,根据GRECO-WM方法,计算了其表面全向雷达散射截面(RCS)值;基于灰色系统的灰关联度分析理论,提出了气动-隐身综合性能的量化评判模型,并对2种无人机和3种巡航导弹的综合性能进行了评价,得到了对工程设计具有参考价值的结论。     

Unsteady aerodynamic modeling at high angles of attack using support vector machines

Accurate aerodynamic models are the basis of flight simulation and control law design.Mathematically modeling unsteady aerodynamics at high angles of attack bears great difficulties in model structure determination and parameter estimation due to little understanding of the flow mechanism.Support vector machines(SVMs)based on statistical learning theory provide a novel tool for nonlinear system modeling.The work presented here examines the feasibility of applying SVMs to high angle-of-attack unsteady aerodynamic modeling field.Mainly,after a review of SVMs,several issues associated with unsteady aerodynamic modeling by use of SVMs are discussed in detail,such as selection of input variables,selection of output variables and determination of SVM parameters.The least squares SVM(LS-SVM)models are set up from certain dynamic wind tunnel test data of a delta wing and an aircraft configuration,and then used to predict the aerodynamic responses in other tests.The predictions are in good agreement with the test data,which indicates the satisfying learning and generalization performance of LS-SVMs.