类天宫飞行器轨道衰降过程空气动力特性一体化建模并行优化设计

针对天宫一号目标飞行器无控飞行轨道衰降数值预报需要快速确定轨道积分高精度计算模型中的空气动力,在发展基于修正Boettcher/Legge非对称桥函数的天宫一号空气动力特性当地化算法基础上,对当地化算法的运算流程及对应程序代码进行了整体分析,根据原程序热点代码集中、数据独立性强及传输需求少等特点,发展了多核处理单元的并行优化方法。引入CUDA架构的GPU设备同时,开展了系统、算法以及语句三个层次的并行优化,设计了GPU内存对齐访问方案,使用数据传输函数,将算法求解部分内循环经过展开与合并,整理为整体移植入核函数的一个循环,利用GPU较强的并行计算能力提升运算效率,对函数、循环、指令等代码语句进行级别优化。使用设计的并行计算方案对类天宫飞行器空气动力特性当地化串行算法程序进行CPU+GPU移植优化,达到了近5倍的并行加速比,且使单次求解中GPU数据传输时间缩减为原来的23%,证实了并行方案和优化设计手段的高效实用性。在类天宫飞行器空气动力特性GPU并行算法程序验证基础上,使用GPU并行程序对天宫飞行器轨道衰降飞行340～120 km过程的气动特性进行了不同迎角、侧滑角等飞行姿态计算分析,提供了大量可供轨道飞行力学数值预报的空气动力计算数据。     

基于等效迎角的气动融合轨道直接积分计算无控航天器轨道衰降研究

针对低地球轨道航天器服役期满离轨陨落、特别是功能失效处于无控飞行的航天器轨道衰降难以模拟的问题,在航天器轨道动力学方程直接积分计算框架中,把稀薄气体动力学与轨道动力学结合起来,发展了基于跨流域空气动力精细数值模拟驱动的低轨航天器气动特性一体化快速算法,提出了无控航天器轨道衰降失稳自旋飞行姿态等效迎角模拟法,初步建立了基于等效迎角的气动融合轨道直接积分高精度计算模型。对大型航天器A受控陨落开展计算分析,验证了本文发展提出的轨道计算、气动力一体化计算方法正确性与高精度。在大型航天器B无控失稳自旋飞行轨道衰降计算分析中,得到了与外测轨道星历数据吻合一致的长弧段和短弧段预报结果,在停止外测轨道数据供给5 h内,地心惯性系位置预报偏差低于1.5 km,验证了基于等效迎角的气动融合轨道直接积分计算模型对无控航天器轨道衰降预报的合理性。     

侧向喷流与飞行器三维绕流干扰流场特性的DSMC/EPSM数值模拟

采用DSMC/EPSM混合算法,研究了带有侧向喷流的复杂外形高超声速飞行器稀薄区和连续区三维混合流场的干扰特性。采用一种飞行器物面网格与DSMC计算域网格分别标识的方法,通过判断模拟分子与表面碰撞来完成飞行器物面网格与DSMC计算域网格间的信息传递和信息存贮,对于复杂外形飞行器的精确描述的物面网格不需做进一步处理,直接应用于不依赖于飞行器外形的DSMC计算的通用子程序中。引入碰撞数做为混合参数,对流动区域进行划分,并通过网格中碰撞数的统计和处理,有效地将DSMC和EPSM方法结合在一起。仿真计算了三维复杂外形飞行器带喷流流场压力、热流分布量,飞行器表面气动力、气动力矩和气动热参数,对喷流与高超声速空气绕流相互作用以及它们与物面之间的相互扰动进行了分析,证明了采用的方案和技术的有效性。     

理论解用于复杂构型飞行器气动阻力方法研究

针对现有的理论解方法尚不适用于复杂构型飞行器气动力求解的问题,从稀薄气体分子的动力学模型出发,制作等效平面以分析各部分来流的宏观特性,并将入射流和反射流作用分开进行考虑,从而计算出几种典型情况下的气动阻力值。后续验证表明,在分子-壁面间多次碰撞不显著时,此方法能够获得较准确的气动力结果。所提出的气动力计算方法对低轨道飞行器的气动力计算及气动构型优化等工作均具有一定的参考价值。     

带控制舵飞行器机动特性研究

研究带控制舵双锥外形再入飞行器的机动特性。文章首先利用“部件叠加法”,通过对干扰因子和等效攻角等概念的引入,发展了一套可以计算该类飞行器纵横向气动力的工程计算方法。其次,文章通过大量计算,分析研究了该类飞行器的配平特性。最后,利用气动力与六自由度弹道耦合方法,研究分析了此类飞行器实现射面拉起/下压机动飞行及空间锥形机动的舵面控制规律。     

大型航天器离轨再入气动融合结构变形失效解体落区数值预报与应用

准确可靠求解大型航天器服役期满离轨再入跨流域气动环境与金属(合金)桁架结构变形失效解体非线性力学行为,是解决航天器失联无控或受控再入坠毁飞行航迹落区数值预报软件研制的关键基础。在求解Boltzmann模型方程的气体动理论统一算法(GKUA)基础上,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量,引入能量模式配分函数和非弹性碰撞松弛数,确立了描述复杂飞行器跨流域高超声速流动非平衡输运现象统一Boltzmann模型方程,构造了直接捕捉Boltzmann模型速度分布函数演化更新数值格式,提出了离散速度空间区域分解大规模并行计算策略与高效数据通信模型,建立了稳定运行数万CPU核求解大型航天器离轨再入跨流域气动力/热环境高性能并行算法。针对无控航天器非常规再入问题,提出瞬态热传导方程与材料热弹性动力学方程耦合数学模型,建立了强气动力热环境致结构变形热力响应有限元算法,发展了适于高超声速再入气动环境与结构热力耦合计算技术。通过对竖直平板、中空球体、类天宫飞行器高超声速流场计算与结构响应变形非线性力学行为一体化计算验证,证实统一算法大规模并行计算策略与热力响应变形有限元算法精度可靠性,建立了服役期满大型航天器离轨再入跨流域气动环境与结构热力耦合响应变形失效/解体飞行航迹一体化模拟平台,开展了该平台在类天舟一号货运飞船受控再入、天宫一号目标飞行器无控陨落、天宫二号空间实验室受控再入解体落区数值预报中的应用研究。     

类天宫航天器迎风面积建模及变化特性分析

针对类天宫航天器复杂结构外形迎风面积的精确计算问题,提出了一种在轨飞行期间迎风面积的计算模型。该模型考虑航天器姿态变化和帆板转动因素,在航天器本体系下建立经纬度网格,将三维的投影方向矢量转化为二维的经度、纬度;基于图形学几何投影方法,对投影经度、投影纬度、帆板转角模型参数按照一定颗粒度离线穷举,计算各种参数状态的迎风面积,离线建立航天器迎风面积模型;轨道计算过程中,根据航天器在轨飞行模式确定该时刻的姿态和帆板转动角度,通过迎风面积模型插值获得迎风面积。应用该方法计算天宫一号长期在轨飞行阶段的迎风面积,对不同时间尺度的变化规律进行了分析,验证了方法的有效性。     

大型航天器再入解体气动力热特性模拟的直接模拟蒙特卡洛方法研究

为模拟大型航天器离轨再入近连续过渡流区高超声速气动力/热绕流特征,构建了基于直接模拟蒙特卡洛法碰撞限制器技术的混合方法,发展了基于密度梯度的动态自适应混合网格处理技术与变时间步长计算方案。利用当地流动梯度的克努森数作为判断连续流失效的参数,将流场划分为不同区域,在连续流区采用碰撞限制器以及大网格尺度和大时间步长,在流场的大梯度区域——包括激波和壁面边界层区域——采用基于当地密度梯度的动态自适应碰撞网格和取样网格处理技术。为保证整个流场范围每个碰撞网格内的模拟粒子数分布更加均匀,采用变时间步长计算方案,并固定当地时间步长与粒子权重的比值,避免了因分子穿越网格界面产生的复制或消失。通过计算类天宫飞行器低密度风洞试验状态的气动力系数,并与试验数据对比,验证了上述算法的高精度模拟能力与可靠性。同时模拟分析了带太阳电池帆板的类天宫飞行器再入85 km高超声速复杂气动力热,及头部对接台与板舱非规则物形绕流所致激波/边界层干扰、流动分离与强气动力热致太阳电池帆板毁坏发生首次解体机制。     

增升状态下的全机位流数值模拟

研究了势流理论下的全机增升装置复杂外形气动力数值计算方法,该方法以低阶面元法为基础,具有计算量小、速度快的优点.复杂流动的粘性效应主要通过附面层粘性修正技术加以体现.采用该方法对某增升装置翼身组合体外形压力分布特性进行计算,并和风洞实验数据相比较,验证了方法的正确性和实用性.在此基础上对某型飞机真实复杂外形的压力分布特性进行了计算,为复杂外形飞行器增升装置的初步设计、方案选型与评估提供了非常理想的工程技术手段.     

大型航天器无控飞行再入时间短期预报的轨道摄动方法研究

针对寿命末期大型航天器临近再入前轨道衰降受到跨流域多尺度非平衡环境下气动力/力矩影响显著的问题,基于体坐标系下的气动力和力矩分量,建立了航天器轨道-姿态动力学摄动模型;结合航天器再入跨流域空气动力学统一计算理论与数值模拟手段,提出了大型航天器无控飞行轨道衰降过程气动特性一体化快速算法。基于地心惯性坐标系气动融合轨道动力学方程数值积分方法对航天器的轨道姿态摄动模型进行了外推计算,结合无迹卡尔曼滤波方法对外测轨道星历观测数据初值误差和模型误差进行了滤波。针对250～120 km高度范围的大型航天器短期轨道衰降变化进行仿真预测,对比了外测轨道星历数据,结果表明:本文提出的经卡尔曼滤波误差分析的轨道摄动模型方法对寿命末期大型航天器短期轨道预报具有较强的模拟能力与有效性,有助于推动近地轨道空间目标气动融合轨道数值预报领域发展。     

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。     

PID控制器与CFD的耦合模拟技术研究及应用

飞行控制系统（FCS）与计算流体力学（CFD）的耦合求解是一个崭新的研究领域。传统的飞行控制系统的工程仿真方法依靠气动力模型或气动力数据库得到不同飞行姿态的气动力;而当前方法通过耦合求解Navier-Stokes方程和刚体动力学方程（RBD）以获取飞行器运动过程实时流场和非定常气动力。由于充分反映了气动力的非定常、非线性效应,因而从根本上保证了飞行控制系统仿真的精度。以方形截面导弹俯仰姿态控制为例,首先给出了系统的传递函数,并基于系统在单位阶跃舵偏操纵下的开环响应特性,提出了传递函数的修正方法,进而设计了该外形俯仰姿态控制的PID控制器。数值模拟了不同控制参数时,P控制器、PD控制器和PID控制器的控制效果。针对不同的控制指令,根据建立的控制律,数值模拟了飞行器在PID控制器作用下的实时响应过程,最终成功实现了对飞行器的俯仰姿态控制。研究发现,当飞行器作慢速机动时,工程仿真与CFD数值计算的结果吻合很好,两种方法可以互相验证;但快速机动时,两种方法给出的结果差异明显,基于CFD的耦合模拟方法由于模拟了飞行器运动和舵面偏转导致的非定常流动过程,其结果比基于静态气动力的工程方法的可靠性更高。在大攻角和快速机动等非定常效应较强时,采用CFD方法评估和验证飞行控制系统是很有必要的。     

微型涡流发生器在飞机增升装置中的应用

开启21世纪 空气动力之窗 随着对21世纪的飞行器提出的一系列新的要求,对21世纪的空气动力学也提出了新的挑战。 未来的军用飞机将更突出低可探测性、高机动性、超声速巡航和短距起降等要求,对民用飞机则突出经济性更好、乘坐更舒适、环保性更突出等要求,而传统的飞行器外形很难满足新的要求,必须开拓全新的气动外形和飞行方式,建立新的气动数据库。 在开拓新飞行器外形和飞行方式的同时,还必将发展出许多新颖的空气动力技术。例如通过主动流动控制技术,包括吸气、吹气、微振动、微涡流发生器、特定的表面粗糙度分布等,改善飞机的升阻特性和操稳特性,用智能材料和智能结构,让飞行器的主要气动面按飞行状态自适应地改变外形,使飞行器在不同的飞行状态都处于最佳外形,从而产生最佳的气动性能等。 本刊从这期起开启"空气动力之窗"栏目,将陆续刊登围绕21世纪空气动力学新概念和新技术的系列文章,欢迎大家投稿。     

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。     

静弹性影响的吸气式高超声速飞行器纵向配平分析

高超声速飞行器多采用细长体构型、机身/发动机一体化设计,这使得气动、结构与推进系统之间耦合严重。首先,将机身等效为两段固定于质心处的悬臂梁,对弹性振动进行建模;接着分析了弹性变形对高超声速飞行器气动及推进系统特性的影响;进而在考虑弹性变形的基础上,计算了飞行包线,并对包线内各点的配平特性进行了分析。结果表明:弹性变形对飞行器的气动力特性在某些状态影响较大,不可忽略;对飞行特性的影响是使飞行包线范围减小。     

基于非线性气动力的飞机飞行载荷计算

为了研究气动力非线性对飞机静气动弹性特性及飞行载荷的影响,发展了一种基于非线性气动力的飞机静气弹及飞行载荷计算方法。通过引入CFD计算结果,实现对线性方法中的气动力影响系数矩阵的非线性修正,采用模态法求解静气弹配平方程得到飞机非线性的气弹变形及飞行载荷。以某翼身组合体构型为计算算例,分别针对刚性模型和柔性模型,基于非线性气动力完成了飞机静气动弹性分析及载荷计算,并与线性结果进行了对比分析。结果表明,非线性方法可对大迎角范围内飞机静气弹变形及飞行载荷做出较合理的预测。     

天宫飞行器过渡流区高超声速绕流N-S/DSMC耦合计算

针对类天宫飞行器服役期满再入大气层多次解体过程残骸碎片绕流对气动特性干扰影响的问题,在数值求解N-S方程的CFD和DSMC方法程序研究基础上,采用MPC耦合处理原理,发展了基于Chapman-Enskog非平衡速度分布函数的耦合区域双向信息交换亚松弛计算技术,建立了适于残骸碎片两体不同间隔绕流干扰流场的N-S/DSMC耦合算法。对天宫飞行器两舱结构体在过渡流区低密度风洞试验状态进行了耦合计算,计算结果与风洞试验结果吻合很好,验证了所建立的耦合算法对再入解体残骸碎片气动特性计算的有效性和可靠性。通过对天宫飞行器解体碎片的简化外形球和球柱体在过渡流区高超声速两体干扰气动特性进行不同间隔绕流场耦合计算分析,结果表明,在一定的距离范围内,两体干扰会对残骸碎片的气动特性产生较强的影响,不同的残骸碎片外形在不同距离的干扰规律不一致。计算结果为天宫飞行器再入解体气动融合轨道数值预报提供设计依据。     

高超声速飞行器气动布局总体性能优化设计研究

总体设计是吸气式高超声速巡航飞行器的关键技术之一.为提高高超声速飞行器的设计水平,获得一个总体性能较优的布局构型,对乘波布局的高超声速飞行器进行了总体优化设计研究.采用多目标遗传算法,以飞行器外形参数作为设计变量,考虑了巡航状态下的气动力、热、雷达散射截面、机体/推进一体化、机身容积、配平特性、静稳定性和机动性等指标.优化设计得到了Pareto最优前沿面,获得了很多总体性能优于基本构型的最优个体.根据设计指标,给出了一个推荐方案作为进一步研究的参考构型,并对它的气动特性进行了风洞实验验证,证明了本文优化设计方法的可行性.     

基于起飞性能的民机升阻特性推算

针对民机起飞构型,建立了一种利用飞机的起飞性能推算其升阻特性的工程计算方法。通过对民机起飞过程的物理分析以及对特殊飞行阶段和典型飞行状态点的动力学分析与气动力参数计算,推算出计入地面效应的民机升阻特性;参考同类飞机的失速特性,对推算得到的升力曲线进行非线性修正。以B737-300民机为算例的计算结果表明,该推算方法具有一定的精准度和工程实用性,可用于不同民机型号的气动特性对比计算和分析。     

基于温度参数的经验密度模式修正方法

大气阻力是影响低轨航天器众多空间操作的重要因素,尤其是经验密度模式,固有的至少15%的误差已经严重制约航天器轨道计算精度的提高。针对广泛应用的经验密度模式,选择物理背景简明的Jacchia71模式,以温度参数Tc和Tx为对象,建立密度相对于上述温度参数的条件方程,推导了密度相对于温度参数的解析偏导数,并给出其最小二乘解。利用CHAMP卫星数据对模式修正结果进行验证,模式平均误差从40%降低至3%左右。通过TG01飞行器的轨道预报比较,修正前后轨道预报误差从2 km降低至1.3 km。经过CHAMP卫星和TG01飞行器的实测数据检验,验证了修正算法的正确性和有效性。