旋转钝锥高超声速自由飞气动导数非对称性

分别从采用轴对称假设和考虑非对称性的角运动方程出发,通过对高超声速下(M=6)10°半锥角旋转钝锥双平面拍摄风洞自由飞试验结果进行气动参数辨识,对旋转钝锥高超声速自由飞行状态下气动导数的非对称性问题进行了分析。通过对比辨识曲线与观测值的重合性,证明轴对称旋转飞行器存在气动导数非对称的问题,其动导数和Magnus力矩导数均存在较明显的非对称性,动导数的非对称性尤其严重,而静导数的对称性则较好。进一步分析发现气动导数的非对称性对旋转飞行器的瞬态角运动、及总迎角的峰、谷值及相位均存在明显影响,采用轴对称假设而获得的瞬态角运动将存在一定误差。旋转飞行器气动导数非对称性的影响不可忽略。     

小迎角高超声速非旋转钝锥非线性运动分析

采用分段拟合技术对小迎角高超声速(马赫数Ma=6)非旋转钝锥双平面拍摄风洞自由飞试验结果进行了分析,获得了非旋转钝锥在小迎角高超声速下气动导数非线性的具体形式,分析了非旋转钝锥在小迎角下的非线性运动特点。研究发现在小迎角范围内钝锥的动导数系数均呈现明显的非线性,而静导数系数非线性较弱,可近似为线性。各组试验的静、动导数系数的非线性形式表明,除模型Ⅱ外的其余模型均为两方向振幅不同的极限圆锥运动,模型Ⅱ为极限平面运动。每组试验两个平面的静导数系数在小迎角范围内保持基本相等。而无论出现极限圆锥运动的四组试验还是出现极限平面运动的一组试验,模型在俯仰和偏航两个方向的动导数系数均存在较大差异。     

高超声速边界层转捩对旋转钝锥自由飞运动的影响

通过在钝锥模型表面上布置人工绊线促使边界层强迫转捩,采用运动自由度不受约束的风洞模型自由飞试验技术研究边界层转捩对高超声速旋转钝锥自由飞行运动特性和气动特性的影响规律,并与自然转捩的旋转钝锥风洞模型自由飞试验结果作对比分析,试验马赫数为5.0,以模型长为特征尺寸的自由流雷诺数为1.68×106。研究结果表明:有人工绊线的旋转钝锥在自由飞行过程中有"激励稳定"的绕流流场,产生动态稳定的自由飞运动(动稳定导数系数小于0),而无转捩绊线的旋转钝锥在自由飞行中则有"激励不稳定"的绕流流场,产生动态不稳定的自由飞运动(动稳定导数系数大于0)。     

考虑多种物理效应的钝锥俯仰稳定性参数影响分析

首先采用二阶ROE格式计算了非定常NS方程下高超声速钝锥体的俯仰阻尼导数,通过与文献中内伏牛顿法和实验结果对比验证了本文所采用非定常计算方法的正确性.同时采用二阶ROE格式及双时间步长、刚性旋转动网格技术等,数值分析了NS方程计算条件下高空高马赫数钝锥体模型的强迫振动非定常流场特征,并运用最小二乘法辨识出其俯仰静稳定性导数与俯仰阻尼导数.通过计算结果对比分析了不同高度(含稀薄气体效应)、Maxwell滑移边界条件及五组元化学非平衡模型对钝锥体模型非定常流动特征及静、动导数的影响.结果分析表明,本文所计算的钝锥模型在所假设强迫振动下的俯仰稳定性参数随高度变化剧烈,且考虑滑移边界条件与化学反应会使得俯仰力矩迟滞曲线形态发生较大程度改变.准确计算高空、高马赫数条件下飞行器俯仰阻尼导数应考虑化学非平衡效应和稀薄气体效应的影响,是否考虑这些物理效应会关系到飞行器静、动稳定的程度.     

超/高超声速飞行器动态稳定性导数极快速预测方法

飞行器设计早期阶段需要预测大量工况下的动导数。本文发展了一种面向超/高超声速飞行器的动导数极快速预测方法：首先基于当地流活塞理论，将飞行器进行小幅非定常运动所受到的气动力分为受自由来流引起的无附加扰动项以及受物面变形或运动引起的附加扰动项；通过当地表面斜度法、激波后等熵关系求解物面当地流动参数，进而结合非定常运动规律求出飞行器所受非定常气动力；再采用待定系数法对非定常气动力进行提取、辨识，最终得到超/高超声速飞行器动导数。该方法克服了传统方法对CFD流场参数的依赖和耦合，具有极高的计算效率；同时典型算例验证表明，该方法在超声速、高超声速工况下都能够很好预测动导数变化趋势。将该方法应用于复杂外形飞行器动导数预测，并讨论了与CFD方法的误差来源。本文方法可作为高速飞行器总体设计阶段布局选型的工具。     

高超声速再入飞行器气动特性的快速预示—局部方法的推广应用

本文将计算高超声速稀薄气流过渡领域中气动特性的局部方法,推广应用到连续介质中弹头型高超声速再入飞行器气动力特性的快速估算。由激波风洞中M_∞=9.9时,一个8°钝锥的气动力测量结果,导出这一实验条件下的领域系数,并以此来估算不同锥角、不同钝度比及不同外形弹头型再入飞行器的气动力和力矩系数,其结果与无粘数值解及实验结果作了比较,在攻角2°～14°范围内吻合得很好。局部方法可用于弹头型高超声速再入飞行器气动特性的快速预示。     

非旋转钝锥高超声速自由飞非线性角运动轨迹重构与分析

采用多阶段曲线拟合技术,对双平面拍摄风洞自由飞试验获得的高超声速下非旋转钝锥角运动观测值作了拟合,获得了与试验观测值重合度较好的拟合曲线,进而实现了对试验模型非线性角运动轨迹的重构,获得了5次试验的复攻角和总攻角曲线,并进而对非旋转钝锥非线性角运动的特点和规律进行了分析。结果分析表明：模型复攻角曲线可能逆时针方向转动也可能顺时针方向转动,甚至可能改变转动方向;复攻角曲线多呈“椭”圆锥运动,且椭圆运动的长轴在大小和方向上均可能发生变化;总攻角幅值呈振荡变化,但多呈总体上减小的趋势;由于角运动的非线性特性,同样的试验模型在不同的预置攻角情况下其角运动特性也呈现出很大的不同。     

乘波飞行器的优化设计和气动热计算研究

以高超声速技术为研究背景,开展高超声速乘波飞行器设计方法研究.在已有乘波构型生成方法基础上,采用相交楔锥生成多级压缩的乘波构形.并通过对乘波器的前缘进行钝化,进行了气动热特性数值研究.使乘波体在气动力层面上具有尖前缘,保持高升阻比特性,而在气动热层面上具有钝前缘,降低气动加热强度.结果表明,这为高超声速飞行器的气动防热设计开辟了新途径.     

高超声速飞行器气动力/热参数辨识研究综述

飞行器气动力和气动热参数辨识是高超声速飞行器设计的关键技术之一。笔者对高超声速飞行器的气动力和气动热参数辨识技术进行了综述。介绍了飞行器气动力、气动热参数辨识的基本原理与主要方法,气动力、气动热参数辨识技术在高超声速飞行器研发中的应用情况与发展趋势。同时也简要介绍了中国空气动力研究与发展中心（CARDC）在气动力和气动热参数辨识研究方面的研究概况。     

典型超声速/高超声速动导数计算方法研究

以当地流活塞理论为基础完成超声速/高超声速动导数计算公式推导,发展了一种高效的动导数计算方法.选取1个超声速、2个高超声速动导数算例标模,计算了超声速/高超声速下飞行器动导数变化规律.研究结果表明:BFM超声速流动算例的俯仰组合动导数绝对值随马赫数的增大而减小,计算重心位置后移亦会导致俯仰组合动导数绝对值减小,纵向动稳定性降低;在0° ～20°迎角范围内,高超声速流动中的尖锥和钝头旋成体俯仰组合动导数绝对值随迎角的增大而增大,纵向动稳定性增强;所提方法计算时间约为双时间动导数计算方法的1/27.     

机载高超声速飞行器中的轴对称旋成体气动布局研究综述

气动布局设计是机载高超声速飞行器总体设计的必要内容之一，轴对称旋成体布局作为一种机载飞行器应用的主流布局形式之一，有着极为重要的研究价值。本文从总体和气动的视角概述了三款使用轴对称旋成体布局的机载高超声速飞行器。分析了采用此种布局的飞行器在研发过程中可能遇到的难题和阻碍，并站在工程应用的角度给出了解决这些难题和阻碍的手段。最后，展望了轴对称旋成体布局的机载高超声速飞行器在未来的发展趋势，为国内机载高超声速飞行器的研制工作提供借鉴与参考。     

跨超、高超声速风洞模型动导数试验技术研究

介绍了气动中心高速所为航空航天飞行器所开展的动导数试验技术研究,主要包括高速大攻角动导数试验技术、再入体模型配平状态动导数试验技术及基于气体轴承的高超声速风洞模型滚转阻尼导数试验技术。阐述了这些试验技术的试验设备及测试系统,给出了典型的试验结果,并进行了分析与讨论。     

滚转和锥进运动对弹箭动导数求解的影响

现有的弹箭动稳定性导数计算通常忽略了耦合运动效应的影响,而弹箭在实际飞行中,通常同时存在俯仰、滚转以及锥进运动。为此,本文提出了基于欧拉转动定理和滑移网格技术的复杂角运动模拟方法,该方法利用著名的罗德里格斯转换矩阵插值求得弹箭在每个时间步的角速度修正值,并指定给球形滑移网格区,从而模拟弹箭俯仰滚转锥进相耦合的三自由度耦合角运动,在此基础上,通过对非定常气动参数进行求解辨识,分析了滚转频率和锥进频率对其俯仰组合动导数和升力系数动导数的影响规律。结果表明:本文提出的复杂角运动模拟方法,可有效消除姿态角计算的累积误差,实现对弹箭任意给定角运动的准确模拟;在耦合角运动状态下,弹箭气动力系数迟滞环发生明显的振荡和偏移,俯仰组合动导数和升力系数动导数均随滚转频率和锥进频率增加而显著变化,且变化规律具有非线性特性。     

基于轴对称比拟的高超声速复杂外形气动热预测方法研究

轴对称比拟法是高超声速飞行器气动热计算的一种有效方法。针对轴对称比拟法应用时公式推导繁琐、变量迭代复杂、计算量大的缺陷,直接在笛卡尔坐标系下采用三维线性方程拟合物面方程及流场变量,推导出相应的流线尺度因子计算公式,扩展了驻点区热流密度的计算方法,提出了一种驻点区下游流线推进格式。以改进的轴对称比拟法为基础,将边界层外无粘流场数值方法与边界层内气动热工程算法进行耦合,发展了一套适用于三维复杂外形飞行器的气动热计算方法。通过对球头钝锥和双椭球算例进行验证,结果表明:方法计算效率较高,适用范围较广,热流计算结果和实验数据吻合良好。     

风洞自由飞实验测量M=5,10°半锥角尖锥、钝锥气动动稳定特性

超声速、高超声速小攻角状态下简单尖锥体、小钝锥体外形的飞行器能否产生锥动失稳是一个可以讨论的命题.但是简单尖锥体、小钝锥体我们的风洞自由飞实验结果(M=5)会产生锥动失稳,甚至实验次数中出现锥动失稳的比例达100%.借助近十年来对多个飞行器锥动失稳的研究(这些飞行器外形变化、流场参数变化、对锥动失稳的影响,模型风洞自由飞实验结果与飞行器空中飞行结果取得一致)观察到一个现象改变飞行器尾部流动状态,有利于控制锥动失稳.简单10°半锥角尖锥体、小钝锥体模型在锥体后部表面加上小片条后,锥动失稳(M=5)得到控制.     

小攻角高超声速钝锥边界层失稳特性

利用高阶紧致格式,采用直接数值模拟(DNS)和线性稳定性(LST)分析方法,对高超声速边界层的失稳机制和转捩特点进行了研究.通过对马赫数为6的2?攻角高超声速钝锥边界层的稳定性分析发现:小攻角高超声速钝锥边界层存在多枝不稳定模态;周向速度使钝锥的稳定性特征与不考虑周向速度时有本质的差别;转捩线在接近背风面处出现拐折现象是由失稳模态发生转换引起的.      

带减阻杆高超声速飞行器外形气动特性研究

采用高超声速风洞测力试验方法测量钝头飞行器头部减阻杆的高超声速气动特性,研究减阻杆的气动减阻原理,分析了多组不同构型减阻杆的减阻效果。结果表明,减阻杆显著减少了钝头飞行器高超声速的阻力,最大的减阻率达到60％之多;减阻效果与减阻杆构型和迎角状态密切相关;减阻杆会诱发稳定性、“热斑”以及非定常脉动等不利问题。     

逃逸飞行器模型高超声速风洞自由翻滚动导数试验技术

高超声速风洞模型自由翻滚动导数试验技术是为满足航空航天飞行器 0°～ 360°全攻角范围内的动导数测量及产生极限环振动现象的研究之急需而研制。简要介绍了试验技术研制的自由翻滚试验装置、液体轴承、角度测试系统与系统建模的大攻角非线性数据处理技术。该项技术已成功地为逃逸飞行器模型提供了满意的试验数据     

风洞自由飞实验测量M=5，10^o半锥角尖锥、钝锥气动动稳定特性

超声速、高超声速小攻角状态下简单尖锥体、小钝锥体外形的飞行器能否产生锥动失稳是一个可以讨论的命题。但是简单尖锥体、小钝锥体我们的风洞自由飞实验结果（M=5）：会产生锥动失稳，甚至实验次数中出现锥动失稳的比例达100％。借助近十年来对多个飞行器锥动失稳的研究（这些飞行器外形变化、流场参数变化、对锥动失稳的影响，模型风洞自由飞实验结果与飞行器空中飞行结果取得一致）观察到一个现象：改变飞行器尾部流动状态，有利于控制锥动失稳。简单10^o半锥角尖锥体、小钝锥体模型在锥体后部表面加上小片条后，锥动失稳（M=5）得到控制。     

两种有翼飞行器高超声速动态气动特性的对比实验研究

采用模型自由飞技术在脉冲型高超声速风洞中测量了两种类航天飞机外形模型的腐爷阻尼导数，两种模型具有十分接近的外形特征尺寸和投影面积，但机身和机翼的剖面则片此各不相同，实验在名义马赫数M∞＝6.4条件下进行，同一名义实验条件下的重复实验显示一致的运动形态和接近的动导数测量结果。气动参数辨识采用最大似然法，对风沿实验准定常试验时间中模型的平面运动以线性气动参数模型辨识得到它们的俯3仰阻尼导数。结果提产两种外形有差异的模型呈现迥然不同的动态气动特性：带OMS舱的航天飞机仿真模型具有动态稳定性，而简化外形的类航天飞机模型则为动不稳定，虽然对导致这种极大差异的直接物理原因还有待深入研究，但实验揭示了动稳定性对模型外形细节的敏感性。