地球轨道再人飞行器最小气动加热外形优化设计

本文研究了地球轨道再入飞行器气动外形优化设计问题。文中选用飞行器再入总加热量为目标函数,考虑再入飞行器纵向气动稳定性能的设计要求,在给定再入重量和约定长细比的条件下,用内点罚函数方法求解满足规定纵向气动稳定性能要求的最小再入加热气动外形。计算结果表明,平头双锥体是一种很有吸引力的地球轨道再入飞行器气动外形,它既可以最大限度地降低再入总加热量和减轻再入防热层重量,又可以有效地提高纵向气动稳定性能。     

新概念融合升力体气动布局设计优化方法研究

参考国内外高升阻比飞行器气动布局设计经验,针对进出空间飞行器的气动特性要求,开展跨速域高升阻比融合升力体气动布局(BLB)研究以适应进出空间飞行器的各种要求,在传统的翼/身外形的气动效率与纯升力体高容量效率之间寻求平衡。研究表明通过构建融合升力体数模,研究气动外形的系统参数化描述方法,选择设计变量及变化范围,研究优化算法,建立融合升力体气动布局设计及优化工具,开展融合升力体气动外形优化设计是一种值得深入探讨的研究方法。本文主要通过优化平台集成数模参数化程序、网格自动化及基于Euler方程的快速流场求解程序进行优化设计并对优化结果进行分析计算,发展了一种快速有效的气动布局优化设计方法,设计了初步满足设计要求的新型高升阻比融合升力体气动布局。设计的新布局能为再入飞行器气动布局设计提供参考,所发展的优化设计方法计算速度快,成本低,可以为走向工程实用化的复杂外形气动布局优化设计打下技术基础。     

充气式再入飞行器柔性热防护系统的发展状况

讨论了充气式再入飞行器对柔性热防护系统的具体要求，归纳了柔性热防护系统设计的一般准则。概述了柔性热防护系统在充气式再入飞行器中的应用现状，并指出在多层隔热毡(MLI)外表敷设耐高温涂层是柔性热防护系统的理想方案。介绍了柔性热防护系统的材料技术，指出轻质、柔性和耐高温是柔性热防护材料的主要特征，并建议在充气式再入飞行器的总体设计过程中采用Nextel312作为主要候选材料来完成相应的热防护设计。     

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。     

基于再入轨迹和气动热环境的返回舱烧蚀研究

针对再入全过程合理预测热防护罩表面材料烧蚀深度和温度的动态变化问题,提出融合再入轨迹、气动热以及Newton-Raphson和三对角矩阵算法（TDMA）构建动态烧蚀的方法。该方法建立直入式和跳跃式三自由度再入轨迹,应用修正的牛顿流体理论估算气动参数,以及修正的Fay-Riddell和Sutton-Grave理论计算驻点区域的热流密度,利用一维非线性热传导方程模拟了热防护材料的烧蚀过程。仿真结果表明：此方法实现了再入全过程热防护材料烧蚀深度和温度连续动态变化的预测,同样适用于更为复杂结构飞行器的动态烧蚀预测,与热平衡积分法（HBI）相比其结果可靠合理,为进一步优化热防护系统（TPS）提供了一定的参考依据。     

可重复使用飞行器热防护系统辐射-传导复合传热分析

针对可重复使用飞行器再入过程中热防护系统的复杂辐射-传导传热问题,采用有限元方法并结合仿真软件ANSYS的参数化分析语言APDL,对可重复使用飞行器热防护系统进行参数化求解,模拟再入条件下热防护系统内部辐射和传导复合换热,预测内部瞬态温度响应。通过与试验数据的对比,验证了方法的有效性,并利用此方法对金属热防护系统进行热分析和质量优化。     

基于再入轨迹和气动热环境的返回舱烧蚀研究简

 针对再入全过程合理预测热防护罩表面材料烧蚀深度和温度的动态变化问题,提出融合再入轨迹、气动热以及Newton-Raphson和三对角矩阵算法（TDMA）构建动态烧蚀的方法。该方法建立直入式和跳跃式三自由度再入轨迹,应用修正的牛顿流体理论估算气动参数,以及修正的Fay-Riddell和Sutton-Grave理论计算驻点区域的热流密度,利用一维非线性热传导方程模拟了热防护材料的烧蚀过程。仿真结果表明：此方法实现了再入全过程热防护材料烧蚀深度和温度连续动态变化的预测,同样适用于更为复杂结构飞行器的动态烧蚀预测,与热平衡积分法（HBI）相比其结果可靠合理,为进一步优化热防护系统（TPS）提供了一定的参考依据。     

类C-HGB布局锐边化气动隐身优化设计

C-HGB （Common Hypersonic Glide Body）作为美国现今试验成功率最高的高超声速滑翔飞行器已被美国防部列入重点发展项目，并预计发展为三军通用武器。本文针对此类"球+双锥+弹翼"的气动外形和隐身性能进行了研究。采用考虑交互作用的正交设计进行了多约束下参数敏感性分析，并采用改进的基于DE差分变异算子的具有自适应学习机制的优化算法进行气动优化，对优化后的外形采用简单高效的锐边化设计，在提高升阻比的同时可降低雷达散射截面积，极大提高突防能力。锐边设计改变了弹体部分表面温度分布，降低制造成本的同时对热防护系统的设计和红外隐身具有一定积极意义。结果表明：锐边化设计可以得到较好的气动隐身性能，是未来高超声速滑翔飞行器的潜在设计方案。     

高超声速飞行器瞬态热试验

为了进行高超声速飞行器热防护系统的初步设计和数值计算的验证,设计开发了高超声速飞行器瞬态气动加热地面试验系统及其控制软件.试验系统能够根据飞行器的飞行轨迹和外形参数加载瞬态热流,实时测出结构表面的热流值和温度,得到飞行器的表面试验热流曲线和温度曲线.试验系统采用真空舱模拟飞行环境,并为此设计了冷却床,在真空环境下能比较真实的模拟热防护系统的下表面热环境,使瞬态热试验的原理更加合理,精度进一步提高.      

再入飞行器烧蚀热防护一体化计算方法

针对再入飞行器烧蚀热防护系统烧蚀与瞬态温度耦合响应预测问题,提出了一体化计算方法,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供包括气动热、烧蚀后退、瞬态温度响应在内的动态响应预测依据。该方法采用Sutton-Graves和Tauber-Sutton理论计算驻点的对流热流和辐射热流,通过表面能量平衡整合具有较高精度的烧蚀模型,并通过Landau变换简化烧蚀后退带来的节点删除过程并保证空间离散精度,最后求解瞬态有限差分热传导方程获得烧蚀热防护系统的热环境、烧蚀过程和温度响应。通过对比计算碳-碳材料钝头体地球再入过程和酚醛浸渍基碳烧蚀体（PICA）材料电弧风洞烧蚀模拟,对该方法对于不同材料体系的适用性进行了验证。计算结果表明：对于密度较高的碳-碳材料,本文计算结果与经典的热平衡积分法吻合较好,偏差在7%以内;而对于低密度材料（如烧蚀性能对压力高度敏感的PICA材料）,随着热流和压力的增大,预测偏差逐渐增大。所提出的方法实现了气动热、烧蚀、瞬态温度响应耦合过程的一体化计算,在保证精度的前提下实现快速计算分析,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供依据。     

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。     

Investigation of thermal protection system by forward-facing cavity and opposing jet combinatorial configuration

 This paper focuses on the usage of the forward-facing cavity and opposing jet combinatorial configuration as the thermal protection system (TPS) for hypersonic vehicles. A hemispherecone nose-tip with the combinatorial configuration is investigated numerically in hypersonic free stream. Some numerical results are validated by experiments. The flow field parameters, aerodynamic force and surface heat flux distribution are obtained. The influence of the opposing jet stagnation pressure on cooling efficiency of the combinatorial TPS is discussed. The detailed numerical results show that the aerodynamic heating is reduced remarkably by the combinatorial system. The recirculation region plays a pivotal role for the reduction of heat flux. The larger the stagnation pressure of opposing jet is, the more the heating reduction is. This kind of combinatorial system is suitable to be the TPS for the high-speed vehicles which need long-range and long time flight.     

飞翼布局隐身翼型优化设计

针对飞翼布局设计中气动与隐身设计矛盾更为突出的问题,采用高精度气动和隐身计算方法,建立了基于Parsec参数化方法、径向基函数（RBF）神经网络、Pareto遗传算法和松散式代理模型管理方法的翼型多目标优化设计平台。根据飞翼布局内外翼不同功能和特点,确定了内外翼翼型不同的优化设计目标和约束条件,开展了兼顾气动与隐身性能要求的翼型综合优化设计研究。结果表明：对兼顾气动与隐身性能要求的飞翼布局,内翼段翼型主要通过弯度、前缘半径、尾缘角及厚度等设计,减小低头力矩和重点方位角的雷达散射截面（RCS）均值。外翼段翼型上表面的几何形状对跨声速气动效率的影响很大,应通过上表面设计提高跨声速气动效率,重点方位角RCS均值的减小则通过下表面设计实现。某些翼型参数对气动和隐身性能均有较大影响,但作用相反,应作为综合优化设计的主要设计参数,并采用不同的优化设计策略。Pareto方法给出的前沿阵面可为飞翼布局的三维设计提供更丰富的信息。     

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。     

大型飞机增升装置气动机构一体化设计技术进展

增升装置设计作为大型客机设计的关键技术之一,其设计水平的提升将极大提高飞机的整体性能。虽然先进增升装置方案朝着简单形式发展,但其设计目标将结合气动、机构、结构、噪声等复杂考虑因素,以达到最优的综合性能和提高飞行的安全性、经济性和舒适性,是个高难度多学科多约束耦合的设计问题。结合气动优化、机构设计、一体化研究等多方面增升装置设计难点进行论述,并提出相应解决方案,最终完成气动/机构一体化设计。分别回顾了干净构型到巡航构型的外形设计方法;起降构型的气动评估、优化方法;增升装置位置表达方法和机构设计研究现状。最后阐述了气动/机构一体化设计方法的思想,总结了国内外在该方向所进行的研究和取得的成果。     

高超声速翼身组合布局的最优巡航配平研究

以一种类似X-34的翼身组合体为初始构型,研究高超声速下的最优巡航。为了获得最佳升阻特性,达到全机的力矩配平,通过改变机头弯度、翼型弯度和机翼扭转角,对机翼、机身进行耦合设计,研究其不同布局参数下的气动特性。与翼身组合布局的再入型可重复使用运载器进行比较,给出了适应临近空间小迎角下高超声速巡航飞行的设计方法。结果表明,所采用的配平设计方法是合理、有效的,得到的优化构型满足了高超声速最优巡航的要求。     

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。     

Aerodynamic optimization of re-entry capsules

Methods for aerodynamic design and optimization based on linear theory are not well suited for modelling non-linear phenomenons. Their results only represent approximations of real optima. In the present study a new method based on non-linear theory, i.e. the solution of the Euler/Navier–Stokes equations, has been applied to improve these approximations. The structure of the system as well as the incorporated modules are described. Aerodynamic optimizations of a biconic re-entry capsule with respect to the lift-to-drag ratio, the effective volume and the stability are presented and discussed. The method proves to be a robust and relative efficient tool for aerodynamic design of modern aerospace vehicles. An increase in the performance of computer systems will result in an increase in the efficiency as well. It is shown that the method keeps and sometimes expands the established knowledge base of experienced engineers but reduces the design cycle times significantly.