高超声速飞行器流动特征分析

在非流线型构件或突起物的扰动效应、高马赫数和低雷诺数极限效应、低湍流度环境效应和由激波或摩擦导致的气动加热效应等4个方面的影响下,未来高超声速飞行器涉及的流动主要表现出这样的特点:典型流动结构强度高、尺度大,如强激波和厚边界层;局部流动结构数量多;激波、膨胀波和边界层结构之间相互干扰十分严重;转捩、压力脉动和一些流动结构对细微因素非常敏感;压力、摩擦应力和热流峰值现象普遍;升阻比屏障难以突破;流场同时依赖大量无量纲参数和有量纲参数,导致实验模拟难度大。本文在回顾传统高超声速流动主要流动现象的基础上,对上述7个方面涉及的典型流动现象的基础研究现状、问题本质和因果关系进行综合描述,讨论如何更有效地面对基础研究和工程实际问题。该文既可为解决典型流动现象中尚未解决的基础研究提供帮助,也可为如何合理地利用有限的已知知识解决工程应用问题提供指导。     

高超声速气动热预测技术及发展趋势

高超声速气动热预测技术是高超声速飞行器发展的关键技术之一。对高超声速气动热预测技术的发展情况进行了分析探讨。首先,简要回顾了国内外高超声速气动热理论预测及地面实验技术的发展历程;在此基础上,结合典型外形的计算与风洞试验结果的比较,重点介绍分析了气动热工程计算方法、数值模拟方法、气动热风洞试验设备的模拟能力及目前实验测试技术的研究水平;最后,对气动热预测技术的发展趋势进行了讨论,提出了气动热预测技术应研究解决的问题。     

临近空间高超声速滑跃式轨迹目标跟踪技术

针对临近空间目标飞行速度快、机动特性强和加速度突变的特性,提出一种地心直角(ECEF)坐标系下基于目标特性分析的修正强跟踪滤波(MSTF)算法。首先,通过对ECEF坐标系下目标量测的无偏转化处理,以有效减小目标高超声速飞行所带来的旋转、平移和线性化误差影响;接着,在对目标特性充分分析的基础上,合理构建强跟踪滤波(STF)模型,通过对模型参数的自适应调节,以有效实现临近空间高超声速滑跃式轨迹目标的精确跟踪;最后,结合统计学原理对目标加速度的突变进行合理检测和补偿,以进一步修正强跟踪滤波模型的跟踪精度。仿真结果表明,与现有的临近空间目标跟踪算法相比,该算法具有较高的定位跟踪精度。     

角振动校准装置研究

为提升对惯性器件的动态性能评价能力,通过对被校传感器施加标准正弦角振动激励,精确测量角振动过程,实现了对角振动传感器的校准。基于不同频段的特点,将校准频段划分为低频和高频2部分,并提出空气轴承与无刷直流力矩电机相结合的低频角振动台方案,以及轻质空心杯精密空气轴承与框式电磁驱动结构相结合的高频角振动台方案;分别采用精密角度编码器和衍射光栅激光干涉仪实现对低频和高频角振动的测量,成功研制出频率范围为0.25~550Hz、角加速度范围为0.1~1 760rad/s2以及角速度波形失真小于2%的角振动绝对法校准装置。与德国国家物理技术研究院的角振动校准装置相比,该装置能够显著提升承载能力,可广泛用于惯性器件动态性能的测试与评价。     

高速飞行器热结构工作时变模态参数辨识

高速飞行器由于其很高的飞行速度而无可避免地受到气动加热作用的影响,进而引起结构特性的时变。采用理论或有限元方法(FEM)进行数值分析,难以获取反映结构在飞行(工作)状态下的真实模态参数。通过辨识获取高速飞行器热环境下的时变结构模态参数是一项十分具有挑战性的任务。针对此问题,引入参数化时频域的最大似然方法,对气动加热作用下的高速飞行器升力面结构的时变模态参数进行了辨识。通过模拟真实飞行状态的数值算例研究,说明参数化时频域的最大似然方法能够很好地辨识出低信噪比(SNR)情况下的模态频率和模态振型,验证了参数化时频域最大似然方法适用于具有显著时变特征的高速飞行器热结构的时变结构模态参数辨识,可为将来相关的工程研究和应用提供良好的理论支持。     

吸气式高超声速飞行器内外流同时测力试验

为研究吸气式高超声速飞行器新型测力试验技术的可行性,在马赫数Ma=6、高度H=27km模拟飞行环境下开展了风洞试验。以轴对称吸气式高超声速飞行器无舵翼简化构型为研究对象,通过合理的试验系统设计解决内外流解耦关键技术,采用两个环式六分量天平在同一车次上测量模型内外流气动力载荷。试验结果表明:内外流气动力天平测量数据和全模气动力数据准确反映了内外流解耦、内外流窜流、进气道起动/不起动以及溢流影响等物理现象;从物理上实现了内外流解耦;内流气动力对全机气动性能贡献大;内外流解耦、进气道起动时,气动力数据准确、重复性好;窜流产生的传力属于内力。试验证明,同时测力试验技术可行,为解决内外流气动数据源于不同试验所致的不确定性问题提供了有效手段。     

2A12-T4铝合金长期大气腐蚀损伤规律

在海南省万宁地区开展了2A12-T4铝合金暴露7年、12年和20年的大气腐蚀试验,根据腐蚀特征将腐蚀区域划分为单侧腐蚀区和双侧腐蚀区,以结构最小剩余厚度值作为腐蚀特征量,进行了不同年限试验件中不同腐蚀区域最小剩余厚度的测量和统计分析,确定了满足99.9%可靠度与95%置信度的最小剩余厚度值以及95%置信度下的最小剩余厚度置信区间,并开展了腐蚀损伤形貌的金相分析。研究结果表明:2A12-T4铝合金大气腐蚀特征量服从正态分布;在大气腐蚀7~20年间2A12-T4铝合金板件的最小剩余厚度值是线性减小的;2A12-T4铝合金大气腐蚀7年后处于点蚀、晶间腐蚀、剥蚀的过渡期,12年后发生全面剥蚀,20年后剥蚀已相当严重且伴随着点蚀;双侧腐蚀区与单侧腐蚀区相比腐蚀深度更大且剥蚀层剥落严重。     

蜂窝夹层板撞击实验数据中的野值判别

基于超高速撞击物理实验数据对蜂窝夹层板撞击极限方程进行修正是获得高可信度新方程的一种常用方法,为了提高物理实验数据的可靠性,以国外131个碳纤维复合材料(CFRP)面板的蜂窝夹层板实验数据为对象,进行野值判别方法研究,发现该批数据中存在1个野值。将该野值剔除并基于剩余的130个数据重新进行方程修正后,新方程的总体预测率和安全预测率分别达到82.3%和93.1%,其绝对误差平方和、相对误差平方和分别为0.010、0.506,相对于剔除野值前的修正方程有所改善,表明实验数据野值判别方法可行、有效。为考核方法的适用性,对铝合金面板的蜂窝夹层板的实验数据也进行野值判别分析,结果显示该方法可合理识别野值。     

弯曲通道模拟离心条件下的主燃级和预燃级联焰试验

冲压转子发动机是冲压发动机和燃气涡轮发动机的有机结合,其结构简单。冲压转子发动机燃烧室由于其内部受到强离心力场的作用,燃烧室火焰的稳定燃烧以及传播都会受其影响。为了得到离心力场对分级燃烧中两级联焰的影响规律,本文进行了试验研究工作。针对燃烧室在强离心条件下的燃烧特点,采用弯曲通道模拟气流的离心效应。在弯曲试验段上对预燃级和主燃级进行了联焰研究,试验在常温常压条件下进行,进口气流速度范围为10~70m/s。试验中考察了离心力、燃油分级比例以及主燃级燃油喷射初始角度对联焰的影响,试验结果初步验证了燃烧方案的可行性,为冲压转子发动机燃烧室的研究奠定了基础。     

基于波动耦合的复杂结构动力响应分析与研究

有限元法(FEM)适合低频分析,统计能量分析(SEA)方法适合高频分析,而一类较宽频带(中频段)的声振响应问题不适合单独用FEM或SEA方法解决。基于波动耦合的混合FE-SEA方法兼顾了FEM与SEA方法的优点,可预测中频段含一定不确定性的声振系统的稳态响应。本文阐释了混合FE-SEA方法的理论,分别通过典型结构的蒙特卡罗仿真与复杂系统的噪声试验两案例对该方法进行了验证,其中梁-板典型结构能量响应计算值与蒙特卡罗仿真值具有较好的一致性;复杂飞行器系统的振动响应与试验结果较为吻合,舱内噪声声压级(SPL)误差小于3dB,证明了混合FESEA方法的有效性,解决了FEM与SEA方法在中频复杂声振响应中的局限性这一问题。