螺旋波电推进羽流电磁矢量控制的原理性验证

推进器羽流的电磁矢量控制是基于电磁位形的改变使得喷射的羽流改变方向。为了原理性验证电推进羽流电磁矢量控制技术，针对螺旋波电推进器，开展了磁场位形调制仿真设计和试验验证。说明了电磁矢量调制线圈能够改变磁场位型，并且在试验过程中验证了等离子体羽流随磁场位型变化而产生的羽流方向偏转。在周期性磁场调制过程中，验证了等离子体密度参数随之周期性涨落。螺旋波电推进羽流方向最大偏转角度60°，可控偏转频率15Hz，说明了电推进羽流电磁矢量控制的可行性。     

三维多组分羽流及其效应的数值模拟

考虑到实际卫星总体布局特点及姿控发动机燃气喷流为多组分的特点,采用差分求解N-S(Navier-Stokes)方程耦合DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)方法建立三维多组分羽流场的数值模拟模型,对5 N无水肼单组元姿控发动机喷管产生的燃气羽流场及其效应进行数值模拟,计算得出羽流场的物理参数分布、化学组分分布,得到了羽流对太阳能帆板的羽流气动力和气动热效应.计算结果表明对于太阳能帆板的羽流效应防护应以N2,NH3为主,姿控发动机羽流会对太阳能帆板撞击产生气动力和气动热的影响,在太阳能帆板前沿中点处,存在气动压强峰值和气动热流峰值.计算结果为研究羽流效应提供了参考依据.     

氢氧发动机真空羽流干扰试验研究

为了研究航天器发动机多股羽流产生的羽流干扰对流场结构及参数的影响,在北京航空航天大学真空羽流效应试验系统（PES）中,采用总压皮托管阵列对60 N氢氧模拟发动机单机羽流和双机干扰羽流的压力场进行了测量。试验结果表明:单机羽流流场压力随着轴向距离的增大而迅速降低;受到钟形喷管产生的压缩波束影响,同一轴向距离上的压力最大值逐渐偏离喷管轴线;双机羽流干扰发生于两股发动机羽流主流之间的区域,干扰流的作用范围和强度随着轴向距离的增大而增大,干扰流压力最高可以达到单机羽流相同位置处压力的5倍以上;受到干扰流压缩波束边界的影响,同一轴向距离上的压力最大值逐渐偏离双发动机对称面。      

磁悬浮径向球面纯电磁磁轴承的设计

针对柱面磁轴承偏转时干扰力矩较大问题,本文提出一种径向球面纯电磁磁轴承设计方法。在本设计中,当磁轴承产生偏转或偏移时,电磁力会指向转子球心,从而降低定子磁极对转子产生的干扰力矩,提高磁轴承的控制精度。首先,阐述球面磁轴承的工作原理并建立数学模型,运用等效磁路理论方法和有限元数值方法分析其电流刚度和位移刚度,2种方法的计算结果基本吻合,表明球面磁轴承的有限元分析模型是合理的。接着,运用有限元方法分析球面磁轴承和柱面磁轴承产生偏转时的干扰力矩,结果表明当转子达到最大偏转角0.3°时,球面磁轴承的干扰力矩是柱面磁轴承的干扰力矩的1.8%,表明球面磁轴承相对于柱面磁轴承在抗干扰力矩能力方面有很大的提高。最后,进一步分析球面磁轴承产生X方向或Z方向偏移时的干扰力矩,计算结果与偏转时干扰力矩的量级相当。综上所述,本文提出的径向球面纯电磁磁轴承有低干扰力矩的优点,可用于航天航空工程中惯性执行机构的高精度控制和角速率检测。     

基于优化的羽流撞击消旋技术瞄准策略设计

针对自由翻滚目标卫星的消旋问题,使用化学推力器羽流撞击的方式进行消旋具有较高的可行性和安全性。当目标太阳翼法线与星本体自旋轴存在一定夹角时,需要对消旋推力器的瞄准策略进行设计,以提高控制精度和系统效率。目前国内外对于一般情况下瞄准策略的设计仍存在空白。基于参数化羽流撞击模型,对空间目标的动力学特性进行分析并给出典型工况,分析了羽流撞击力对相对位置姿态的敏感性,得到了瞄准策略设计的一般性准则,在此基础上设计了瞄准策略优化模型的完整表达。仿真计算表明,该瞄准策略适用于太阳翼法向相对期望消旋力矩方向存在一定夹角的情况,并且在保证力矩幅值较大的条件下令精度达到10°以内。该方法适用于太阳翼相对自旋轴倾斜和存在章动运动的目标卫星,从而为服务平台控制系统设计提供支持。     

霍尔推力器羽流对太阳翼的溅射影响规律

霍尔推力器羽流对太阳翼的溅射作用是影响翼板工作性能、卫星供能稳定性的重要因素。为深入研究霍尔推力器羽流在不同布置工况下对太阳翼的溅射影响规律,采用单元粒子/直接蒙特卡洛碰撞模型（PIC/DSMC）求解羽流等离子体的输运过程,其中对离子的扩散作用采用基于菲克定律的求解模型,并以Yamamura溅射模型来求解等离子体对太阳翼表面的溅射产额。为验证修正扩散模型后的算法精度,在真空舱内开展羽流诊断试验,以试验与计算结果的对比来修正扩散经验参数以及验证计算精度。试验结果表明,在扩散系数kd=126×10-36N·m4时,该模型计算误差在87%左右。在此基础上,对不同的推力器方位角、推力器与翼板距离工况,开展羽流对太阳翼的溅射产额计算。计算结果给出太阳翼表面溅射分布随方位角、距离增加的依变规律,并进行了相关透光率影响程度的讨论,可对推力器的星上布置提供参考依据。     

矢量喷流下平尾偏转对飞机气动性能的影响

通过系列参数试验,研究有、无矢量喷流作用下飞机平尾偏转对飞机气动特性、操纵特性以及飞机绕流/矢量喷流之间干扰特性的影响.实验结果表明:在亚音速中小迎角下,有、无矢量喷流时平尾偏转并不影响飞机的纵向静稳定性,只是改变飞机的零升力矩系数m_z0和零升力迎角α₀,但平尾偏转可以较大幅度地改善前体机翼的绕流形态,减缓机翼涡及边条涡的破裂.此外当飞机处于失速状态时,矢量喷流对于涡破裂失速流动表现出强烈的干扰作用,对飞机的气动特性产生了较大的影响,其干扰区域不仅局限于飞机后体,而且还延伸至前机体,该有利气动干扰量可以达到飞机气动力的10%以上.     

三维斜掠后台阶流动数值模拟

介绍了开源计算流体力学软件OpenFOAM(Open Field Operation and Manip-ulation)及面向对象编程技术,并利用其对三维斜掠后台阶流动进行了数值模拟.通过对无斜掠角度情况下用OpenFOAM计算得到的流场速度型和展向涡强度场分布与实验数据的对比研究,证明其具有良好的计算精度和可靠性.通过对不同斜掠角度台阶下游流线与压力分布的详细研究发现随着斜掠角度从0°增加到60,°回流区涡团结构和再附距离均发生了显著变化.其总体趋势是再附距离在30°后会急剧缩小,旋涡强度也会减弱.     

侧风对拍动翅气动力的影响

昆虫在自然界中飞行时多会受到侧风的干扰,因此了解侧风作用下昆虫拍动翅上气动力的变化对昆虫飞行机理的研究工作具有重要意义。应用计算流体力学(CFD)方法模拟了存在侧风时拍动翅上绕流,并与正常悬停情况进行对比,从侧风的方向和强度2个方面考察了其对拍动翅气动特性的影响。结果表明:侧风对拍动翅气动特性的改变包含2个流动机制的贡献,即相对速度效应和前缘涡轴向速度效应,且从翅尖吹向翅根的侧风与从翅根吹向翅尖的侧风对气动力的影响有着显著的不同;而不同强度的同向侧风下,气动力的改变类似,仅存在数值上的差异。     

阻尼网特性数值模拟

依靠经验公式和工程估算等传统方法,无法对阻尼网性能进行精确评估.为确定阻尼网压力损失系数和降湍性能,采用计算流体力学方法,结合适当的边界条件,对阻尼网进行了模拟.使用数值模拟能够得到不同开孔率阻尼网在不同雷诺数、不同入射方向、不同目数的损失系数,与试验结果更为接近,在30°~45°大角度入射时得到的损失系数更为精确;在入射气流与阻尼网平面呈一定夹角时,阻尼网后的气流压力和速度呈现脉动趋势,传播距离大约为100d;在雷诺数小于40时流动保持层流状态,扰动传播距离为50d,此时降湍效果最好,随雷诺数增加,扰动传播距离增加至400d;在流动未失稳时,开孔率越低,降湍效果越明显,开孔率低于0.5时流动容易失稳;开孔率保持不变,随目数增加阻尼网损失系数增加明显,降湍能力提升.因此可以根据数值模拟结果选择阻尼网的最优参数.     

最优控制理论在垂直发射舰空导弹转弯控制中的应用

本文应用最优控制理论研究了垂直发射舰空导弹转弯控制段的控制规律,并以某低空、超低空、近程舰空导弹为研究背景进行弹道优化设计,通过大量计算结果,分析了燃气舵最大舵偏角与工作时间、反馈回路参数等对垂直发射导弹弹道特性的影响。最后选取一组最优参数对全弹道进行了仿真计算。结果表明:将垂直发射技术应用于对付近程、高速、掠海目标是有效的,可以实现的。     

超高速飞行器平尾大迎角气动弹性特性研究

临近空间超高速飞行器在飞行过程中受到外部干扰作用时会出现大迎角飞行姿态，此时需大角度偏转全动平尾进行配平，带来平尾大迎角下的气动弹性问题。采用计算流体力学/计算固体力学/计算热力学（CFD/CSD/CTD）耦合方法分析了一种超高速飞行器全动平尾的气动弹性特性，重点研究了大迎角下平尾的气动响应及结构变形特点。结果表明:各迎角时的气动力曲线均出现波动，随时间变化逐渐衰减至平衡位置。迎角越大，初始振幅越大，气动力系数减小的比例越大，但随时间衰减得越快。平尾存在弯曲/扭转耦合现象，结构变形导致表面压力分布发生变化，使得整体压力减小、升力系数降低，迎角越大现象越明显。平尾最大应力在迎角30°时达1.2 GPa，已达到所用镍合金材料的屈服强度极限。应在结构设计时在翼轴与平尾接触部位附近加强，或在控制方案设计时限制全动平尾的工作角度。结构发生轴向与法向变形，轴向变形主要由气动热引起，法向变形由气动力和气动热共同引起。      

基于气动导数的类X-37B飞行器纵向稳定性分析

为了定量地研究跨大气层轨道飞行器在不同飞行条件下俯仰方向的动态特性，在Etkin气动力模型的基础上，详细研究了飞行马赫数、减缩频率、振动幅值、平均迎角等因素对此类飞行器纵向动态特性的影响规律。研究结果表明，平均迎角和飞行马赫数决定了流场的基本特性，所以对气动导数的影响很大；而减缩频率和振动幅值决定了非定常扰动的强弱，影响非定常气动力的大小，决定非定常迟滞效应的强弱。对类似X-37B的跨大气层轨道飞行器来说，平均迎角越大，机身后方背风区的涡流作用越强，纵向稳定性越强。在亚声速范围内，随着飞行马赫数增加，纵向稳定性增强，在超声速范围内，随着飞行马赫数增大，纵向稳定性减弱。振动幅值大小虽然影响了流场的形态，但对气动导数的数值大小没有明显影响。振动频率对动态特性的影响也不明显。希望研究结果可为中国未来类似飞行器的研究和发展提供相应的参考和技术储备。      

双射流环量控制翼型的控制力矩特性研究

为了探究环量控制技术在飞行控制性能方面的优势，在定常流场中对定常射流环量控制翼型的控制力矩作用机理展开了研究，采用数值仿真的方法，对比分析了单射流、双射流产生的虚拟舵面与传统舵面作用下的气动力系数的变化规律，并基于无舵面飞行器CCSCAOON对其气动力矩的控制特性进行了验证。验证结果表明:单射流作用下的虚拟舵面能够提供用于飞行器所需的滚转和俯仰力矩，且作用机理相似，控制性能优于传统舵面；无论是单射流还是双射流，在大迎角下虚拟舵面的气动控制特性较差，限制了环量控制的使用迎角；双射流较单射流而言，升阻比特性和控制力矩特性较好；双射流下的虚拟舵面通过调节下射流口动量系数，能够有效降低偏航力矩与滚转、俯仰力矩之间的耦合效应。      

空间再入充气系统的大攻角气动及结构仿真研究

为描述空间再入充气系统在大攻角状态下的气动力与结构特性,利用CFD模型研究了不同攻角下的流场分布及气动力系数变化。同时建立了考虑内充压作用的有限元模型,并以高超声速流场作为输入,采用流固单向耦合的方法分析了不同攻角下的气动力对结构静力学特性的影响。研究表明：随攻角的增大,轴向力系数呈整体下降趋势,而法向力系数及俯仰力矩系数分别呈M型及W型变化趋势;此外,随着攻角的增加,结构最大应力整体呈上升趋势,并在45°攻角附近增幅最大。     

倾转旋翼机巡航状态旋翼滑流影响

倾转旋翼机由于需要兼顾垂直起降和高速平飞2种典型工况下的动力需求，采用大直径旋翼作为推进装置会使机翼大部分处于旋翼滑流区内，这与常规螺旋桨飞机存在较大差异。为评估不同数值计算方法并研究旋翼滑流对倾转旋翼机气动特性的影响，针对选取两叶旋翼的某倾转旋翼机方案，利用激励盘模型、多参考系（MRF）模型、滑移网格模型分别进行了巡航状态下旋翼滑流对全机气动特性影响的数值模拟研究。结果表明:相对于无滑流状态，滑流定常影响使全机阻力增大，最大升阻比降低了7.5%，尾翼产生的升力增大，纵向静稳定度增加了17.1%，全机低头力矩增大；当迎角较小时，滑流虽然改变了机翼表面的升力分布，但是全机升力变化不大；滑流非定常影响会使全机气动特性产生周期性波动，升力系数波动幅度为9.0%，阻力系数波动幅度为10.8%，并且随着迎角的增大，波动幅度也越大。      

基于压敏漆的多羽流气动力效应试验研究

多股羽流相互作用会形成复杂流场形态的干扰羽流，为了对干扰羽流开展气动力效应试验研究，采用压敏漆（PSP）表面压力光学测量技术，对以常温空气为工质的单喷嘴羽流和双喷嘴干扰羽流撞击平板模型的气动力进行了高分辨率的全场测量，分析了喷嘴和平板间不同入射距离和入射角对羽流气动力作用强度和范围的影响。试验结果表明，以高透氧聚合物为基层的压敏漆在羽流气动力测量中具有快速响应的特性，能分辨Pa级的微小压力变化。相对传统离散测压孔方法，压敏漆温度敏感度低，能捕捉大梯度的压力变化，准确描述羽流气动力效应。通过对比，发现干扰羽流对气动力具有明显增强作用，且增强作用随着入射距离的降低而减弱，干扰羽流的气动力不能直接用单股羽流的气动力进行线性叠加；羽流相互作用增强羽流返流，在航天器设计中需要考虑多股羽流相互作用后的羽流防护问题。      

S弯进气道出口旋流对轴流压气机性能的影响

为探究S弯进气道出口旋流对轴流压气机性能的影响，优化设计了旋流畸变网以模拟旋流，利用数值模拟的方法探究了单级轴流压气机在S弯进气道出口旋流作用下的气动响应，获得均匀进气条件和旋流进气条件下的压气机特性线和流场分布。结果表明:优化后的旋流畸变网总体旋流角误差降低了。S弯进气道出口旋流对增压能力影响不大，但会导致压气机效率下降，稳定工作范围减小。在100%和80%换算转速，压气机的压比最大降幅分别为0.12%和0.28%，在峰值效率点附近的效率最大降幅为3.2%和14.4%。S弯进气道出口旋流中的反向旋流区增大了转子叶片进气攻角，导致气流叶背分离、叶片通道堵塞，最终导致压气机失稳。