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。     

升力浮力复合型飞艇动导数分析

计算了球体和椭球体的平移、转动加速度导数,数值模拟了NACA0015翼型的俯仰振荡,验证了计算流体动力学(CFD)方法计算动导数的有效性.模拟升力浮力复合型飞艇的强迫振荡运动,得到了全艇以及机翼、艇身、平尾和垂尾的动导数,并与常规飞艇进行了比较分析.机翼对速度导数的贡献导致复合型飞艇升沉速度导数、滚转角速度导数较常规飞艇显著增大.常规飞艇加速度导数以惯性力成分为主,但黏性力成分以及机翼对艇身和尾翼的干扰对复合型飞艇升沉、滚转和俯仰3个方向的加速度导数有重要影响,不能将加速度导数简化为附加质量系数.      

基于CFD动网格技术的飞艇动导数计算方法

由于飞艇和飞机这两种飞行器在飞行原理、气动外形等方面都存在较大的差别,因此现有的飞机动导数工程估算公式和经验数据并不适用于飞艇动导数求解。为了解决上述问题,提出了一种新的基于CFD动网格技术的飞艇动导数计算方法。通过非结构化动网格技术,建立飞艇在流场中的强迫振动模型,采用有限体积法对N—S方程求解,研究飞艇在强迫振动中的气动特性变化规律,并基于数值计算结果求解飞艇的动导数。研究发现,得到的计算结果与风洞试验结果基本一致,表明基于CFD动网格技术进行飞艇的动导数求解是有效可行的。     

大型民用飞机尾旋运动的系统辨识研究

为了研究某常规布局大型民用飞机的尾旋特性，首次利用一个满足动力相似的缩比模型在Ф5m尾旋风洞中进行研究试验，利用机载传感器所采集的模型运动参数来研判飞机模型的尾旋特性。目前，对于此类飞机模型尾旋运动中所承受的气动力矩研究还十分缺乏，以飞机模型尾旋试验结果为基础，采用飞机六自由度运动学方程来还原模型在尾旋运动中所承受的气动力矩系数，同时利用常规风洞测力试验结果来检验所还原的气动力矩系数的可靠性。进一步采用多元高次方程对模型尾旋运动进行了系统辨识研究，建立了能辨识飞机在尾旋运动条件下的气动力矩系数的数学模型，成功的辨识了重要的气动力系数的导数(Cmα,Cmδe,Cmq,Cnβ,Cnδr,Cnr,Clβ,Clδr,Clp)，与相关参考值比较显示其结果具有较高的可信度。     

考虑进排气的飞翼静、动态气动特性数值模拟

采用计算流体力学（CFD）数值模拟技术，以二维模型为例，建立了基于小幅度非定常运动的动导数计算方法，构建了考虑喷流引射效应的进排气模型、考虑管道效应的通气模型以及常规的保形模型，分别对其静态以及动态气动特性进行了数值模拟计算，并辨识了其纵向俯仰力矩系数组合动导数。研究表明:非定常动导数辨识方法较为准确可靠，相比保形模型，进排气以及通气模型的静态失速攻角（AOAs）增大，升力系数、阻力系数及俯仰力矩系数也增大，但力矩系数斜率基本不变，说明静态稳定性差异不大。而相同攻角下，进排气影响下的俯仰力矩系数组合动导数绝对值最大，表明了进排气模型具有最大的动态阻尼，而通气模型次之，保形模型的动导数绝对值最小。      

临近空间飞艇横向稳定性分析

临近空间飞艇由螺旋桨提供偏航控制力矩，空速大时操纵效率低，飞行试验中多次出现偏航通道发散，飞艇稳定性问题凸显。选用HALE-D和HiSentinel两种飞艇，通过CFD仿真方法，得到两种飞艇的静态气动参数，以强迫振荡方法获得其动导数，两种飞艇在计算角度内组合导数均为负值，模型处于阻尼状态；在此基础上，通过飞艇横向稳定性分析获得两种飞艇的稳定区间。结果表明，HALE-D飞艇的横向稳定区间大于HiSentinel飞艇，相同迎角(侧滑角)时，HALE-D飞艇的阻力较大，临近空间飞艇设计需综合考虑阻力、稳定裕度和操纵性之间的平衡。研究结果为临近空间飞艇横向稳定性分析提供了一种方法。     

基于非定常CFD方法跨声速民用飞机标模俯仰气动导数计算研究

采用非定常计算流体力学(CFD)方法和动网格技术,计算了跨声速民用飞机全机构型TCR气动标准模型在0°~30°迎角范围内气动力系数的时均值、俯仰静导数和俯仰动导数;通过与试验结果对比,研究了非定常CFD方法在较大迎角范围内对包含鸭翼、垂尾等部件的复杂外形气动导数的计算精度。与试验结果对比表明,在16°~24°迎角范围内,受鸭翼和机翼上流动分离再附以及内外翼分离涡相互作用等复杂流动结构的影响,俯仰力矩系数的动导数与试验数据有相对较大的差异。     

细长锥小迎角气动特性的Re效应

本文介绍了 10°尖锥的气动特性在M =5、α在 0°附近的Re效应的研究成果。气动特性包括法向力系导数、俯仰力矩系导数、压力中心系数、前体轴向力系数、底部压力系数、俯仰阻尼导数、俯仰气动刚度导数、边界层转捩位置系数、转捩雷诺数、转捩诱导法向力中心系数、动 /静稳定性相关因子、气动滞后时间等 12个参数。研究成果表明 ,上述气动特性除前体轴向力系数外 ,Re效应是明显的 ,主要是边界层的不对称转捩影响 ,并有确定的规律性     

结构误差对旋转稳定弹丸气动特性影响的数值模拟

基于剪切应力传输(SST)k-ω湍流模型,对考虑结构误差情况下的弹箭模型进行数值模拟计算。首先采用CFD和工程经验公式相结合的方法,得到了不同马赫数、不同转速情况下无结构误差模型的多种气动特性参数。通过与实验数据对比,阻力、法向力、俯仰力矩、压心位置误差在10%以内,验证了该方法的可行性和准确性。然后,建立了考虑结构误差即质量分布不对称、弹体不同轴和无结构误差模型,并分别进行了气动特性模拟计算。结果表明,质量偏心对滚转阻尼力矩系数、马格努斯力矩系数影响很大;弹体不同轴对法向力系数导数、俯仰力矩系数导数、马格努斯力矩系数导数和压心位置都产生很大影响。结构误差使模型的多种气动特性参数产生很大变化,将影响其飞行弹道和稳定性。     

考虑地面效应的翼型动态特性数值模拟

为了研究考虑地面干扰的飞行器非定常气动特性,基于滑移网格技术,通过求解二维非定常Euler方程,对不同近地高度下的NACA0012翼型的动态振动特性进行了数值模拟。分析了存在地面干扰时的升力系数以及俯仰力矩系数迟滞环变化,并结合强迫振动法,计算了翼型各个近地高度下的纵向组合动导数。结果表明,地面效应不仅对定常流场产生影响,更显著地影响了非定常气动力及力矩,近地高度越小,这种效应越明显,使得升力系数的迟滞环面积变小,幅值减小,而俯仰力矩系数的迟滞环变化不规律,力矩系数的动导数随着近地高度减小而增大(绝对值减小),纵向的动态稳定性产生损失。地面效应干扰在飞行器非定常气动研究中应该引起重视。     

飞行器大迎角下俯仰静、动导数的数值计算

 采用一种适用于非定常流动计算的逐次超松弛（SOR）时间推进方法耦合求解非定常Navier-Stokes方程和强迫运动方程,数值模拟了NACA0012翼型、弹道外形(HBS)和有翼导弹等飞行器在不同初始迎角下做强迫俯仰振荡的黏性动态流场,给出动态气动力及力矩系数的时间历程;采用积分法获得飞行器的静导数和动导数,将计算结果与实验结果及半经验理论预测方法进行比较并分析飞行器在大迎角下动态特性的非线性特征;计算结果与实验值相吻合,表明本文采用的非定常数值模拟方法在大迎角下能够较准确地模拟飞行器的动态特性,具有工程应用价值。     

Flow visualization study of an airship model using a water towing tank

The work presented investigates the aerodynamic drag and flow physics of an airship configuration. The investigation is carried out experimentally in a water towing tank. The purpose of this project is to improve the understanding of the aerodynamic characteristics of an airship through quantitative and qualitative approaches. Qualitative measurements of integral drag force and moment are measured in the presence of a crosswind. Flow visualization using colored and fluorescent dyes has been applied to improve knowledge of the aerodynamics of airship configurations with an emphasis on the boundary layer separation, transition and hull–appendage interference effects.     

一种分析弹性飞机总体运动稳定性及颤振特性的统一方法

 本文应用非定常气动力理论计算了刚体运动与弹性运动耦合的飞机运动方程中的非定常气动力及广义气动力导数,给出一种分析飞机总体运动稳定性及颤振特性的统一方法。     

基于NURBS和梯度法的飞艇形状优化

采用非一致有理样条曲线(NURBS)作为飞艇外形参数化方法、基于梯度的优化方法、飞艇体积作为约束条件、飞艇的阻力系数作为目标函数的优化流程对平流层流动条件下的飞艇外形进行了优化.阻力系数通过求解二维黏性不可压缩流场获得,阻力不但包含了形状阻力也包括了黏性阻力.优化过程以LOTTE飞艇的形状为初始形状,优化的结果表明优化后飞艇的气动性能明显改善,阻力系数有了比较明显的降低.优化的结果也同时证明了该方法适用于飞艇的优化命题.      

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。     

民机极限飞行状态的动态气动力试验与建模

飞行失控是造成民机灾难性航空事故的重要因素,飞行失控中飞机难以避免超出正常飞行包线范围,进入具有复杂非线性和非定常动态气动特性的极限飞行状态。本文开展典型民机布局飞机极限飞行状态的动导数、大振幅试验,对大迎角动态气动力的参数影响规律以及非线性、非定常特性进行分析和建模。结果表明,在飞机失速到过失速区域,飞行姿态快速变化过程中动态气动力的非线性和非定常特征显著;在动导数试验和建模中,考虑运动角速率的影响,可以预示气动力非线性的迎角范围,并捕捉到关于飞机动稳定性演化的关键特征;利用Goman-Khrabrov状态空间模型结合大振幅试验,可以确定模型中表征非定常特征的关键时间常数,获得特定极限飞行状态运动中的非定常动态气动力特性。研究方法和结果为开展民机极限飞行状态的动态气动力风洞试验设计与建模提供了一个可行途径,能改进飞机飞行失控预防、极限状态改出、飞行模拟训练和飞行事故分析等。     

窄条翼布局导弹摇滚特性及流动机理

钝头体窄条翼布局导弹在大攻角下拥有极为优异的纵向气动特性,但横向容易失稳,做快速机动时容易诱发非指令的横向不稳定运动。通过开展高速风洞自由摇滚试验和数值模拟,研究了窄条翼导弹自由摇滚特性和流动机理,试验与计算吻合较好。研究发现:较大迎角时,窄条翼面积中心距离尾舵前缘根部5~6倍直径时,模型会进入极限环摇滚,窄条翼位置对模型稳定性有显著的影响,去掉窄条翼或尾舵时,模型均不会进入摇滚;模型空间流场特性表明,气流经过窄条翼时形成的片涡,对背风舵产生强烈的干扰,抑制了尾舵涡的形成和发展,使背风舵动态失稳,导致模型进入极限环摇滚。