飞行器热气动布局优化设计研究

开展飞行器热气动布局设计方法研究,初步建立了高速飞行器概念设计阶段的热气动布局优化设计方法,通过参数化布局设计技术、气动力、热环境、弹道及优化技术等多学科性能分析及优化方法的综合应用,进行飞行器的热气动布局设计。对带控制舵钝双锥体机动飞行器的设计研究表明,考虑热环境的热气动布局可以在保证升阻比不变的条件下,降低驻点及第二锥身等特征点的轨道峰值热流达30%以上。
     

飞行器热防护结构的相似准则问题研究

高速飞行带来的气动热与热防护问题是制约高速飞行器系统提高技术水平和能力的一个主要技术瓶颈。在飞行器结构设计过程中,对飞行器结构进行考核试验必不可少。受风洞设备试验能力限制,试验模型尺寸、来流条件等与实际飞行通常存在较大差异,要在试验中完全模拟实际飞行环境、温度和应力状况无法做到。对飞行器进行缩放处理后进行模型的风洞热结构考核,并通过相似准则获得真实结构的温度/应力分布特性,为飞行器热防护设计提供支撑有着迫切需求。本文通过热传导方程和热弹性动力学方程组,对其中的模型相似参数进行讨论,并根据模型试验边界情况进行了讨论研究。提出了飞行器热防护结构地面考核试验的相似准则,并建立了不同试验类型情况下需要遵循的相似准则条件。该相似准则体系具有较大的灵活度,同时具有很高的实用价值。     

充气气囊减速方案的气动设计研究

减速是航天飞行器必须面对的问题。充气气囊减速方案利用柔性编织材料外加涂层方式构成气囊，利用气体发生器快速产生高压气体，集防热、减速和着陆减振功能于一体，重量轻、成本低、适用范围广、可靠性高。设计了满足减速需求的气囊外形，利用数值求解NS方程和工程计算方法进行了气动力的预测和比较分析，利用六自由度动力学模型与气动力的耦合计算，对减速效果进行了计算与分析，并对热环境、温度场、应力、热应力及变形进行了计算，还对分离不确定性进行了研究。地面引导性风洞试验和理论分析表明，充气气囊减速方案具有十分明确的减速效果和优点，可用于未来航天飞行器实现减速飞行目的的技术方案。     

微型凸起物高超声速气动热特性研究

利用N-S数值解方法对高超声速气流中微型凸起物的气动热环境进行了计算研究,并对前斜坡峰值压力和热流跃升进行了分析,结果表明对于高雷诺数流动,由于其边界层很薄,气流对凸起物的冲击作用比低雷诺数流动大很多,给凸起物前缘和上表面带来较严重的气动热问题。研究还表明利用斜面侧扩张角可以降低凸起物后斜坡的气动热环境。最后对球锥与平板物型的差异给微型凸起物热环境特性带来的影响进行了研究,结果表明在本文计算状态下,风洞平板实验模型得到的凸起物前缘峰值压力和热流跃升比实际球锥外形要高,因此地面实验结果外推到天上实际情况还是比较保守的。     

增强碳/碳球锥切削中的最小热应力优化研究

对将增强碳/碳纤维块体切削成球锥外形的工艺,块体热膨胀系数异性轴指向可以极大地影响球锥热应力大小,存在优化设计的潜力。本文对增强碳/碳不同主轴方向弹性模量比值下的球锥最小热应力优化特性进行了研究,发现以1为界,不同模量对比关系下的优化特征是完全不同的。在本文加热条件下,当异性轴模量小于同性面模量时,优化曲线对温度场变化很敏感,以块体异性轴和球锥横截面成±42.9夹角时热应力最小;当异性轴模量大于同性面模量时,优化曲线随加热时间变化不大,以块体同性面与球锥对称轴平行或成小锐角时热应力最小。一般而言,工艺设计中应避免用模量大的主轴方向指向球锥对称轴方向。     

基于数据挖掘的飞行器气动布局设计知识提取

为了更深入地理解飞行器气动布局设计优化中多目标/多设计变量间的影响关系,提高优化模型的科学性及优化效率,对基于数据挖掘技术的飞行器气动布局隐含设计知识提取问题开展了探索研究。以高升阻比滑翔飞行器布局设计优化问题为例,基于当前比较有代表性的方差分析、等度量映射、决策树、自组织映射4类机器学习算法对气动布局优化设计中产生的中间数据进行了挖掘分析。对不同方法得到的升阻比、横/侧向稳定性及容积率4种目标性能间的权衡关系,目标性能与设计变量间的敏感性关系及产生较优布局外形的设计变量取值规则进行了综合对比分析,凝练形成了适用于该类飞行器的设计知识,同时对4种方法的特点及适用性进行了总结分析,给出了相关结论。     

传感器表面温度对热流测量的影响

高超声速飞行器热环境测量数据一直是防热设计和考核的基准数据,也是热环境计算方法的考核性数据,其准确性至关重要。针对热流测量中遇到的传感器表面和周边防热材料温度差异而导致的测量数据偏差问题,采用基于Navier-Stokes方程的自研程序开展了详细的气动热环境数值模拟,得到了不同温差条件下传感器表面热环境的分布规律,并根据场协同理论分析了局部热流变化的成因机理,研究了影响热流变化幅值的主要因素。结果表明：①当传感器和其周边材料的温度存在一定的差异时,导致该区域近壁面流场中的压力、密度等特征量梯度增大,改变了传感器当地的法向速度和温度分布,造成了局部热流的剧烈变化。②相同来流马赫数和高度下,来流攻角主要影响法向速度的分布,从而影响气动加热量,攻角越大,相同温差下加热量上升的幅度越小;来流总温主要影响法向温度梯度的分布,从而影响气动加热量,来流总温越大在相同温差条件下加热量上升幅度越小。所开展的研究工作可加深对传感器局部热环境分布规律的认识,避免对测量热流的误判,提升数据判断和分析的可靠性。     

一种翼身组合体的气动概念设计

翼身组合体具有较高的升阻比,可进行较大范围的机动,而且还可以提高落点精度、扩大再入走廊、降低热流峰值并降低过载.本文采用模线设计方法设计横截面控制点,借鉴航天飞机气动力工程计算方法发展了一套可以预估翼身组合体飞行器纵横向气动力的工程计算方法.提出并建立了翼身组合体飞行器的优化设计模型并进行了计算,获得了带后掠下反翼的翼身组合体优化方案.对其升阻比特性、质心设计、稳定性问题、滑翔飞行特性及气动热环境进行了预测和讨论.研究表明,带后掠下反翼的翼身组合体方案可以在较小攻角时获得较大升阻比,纵横向稳定且具有较大的滑翔距离和滞空时间,是一种潜在的高超声速机动方案.     

热气动弹性变形对飞行器结构温度场的影响研究

气动加热造成的结构温升可能造成飞行器结构失效从而带来安全隐患。准确预测结构温度场在高超声速飞行器热防护系统与结构设计中显得尤为重要。气动热与传热耦合是提高结构温度场预测精度的有效手段,经长期研究与发展,不管是耦合方法研究还是实际工程应用都已开展了大量工作。但这些研究工作均未考虑结构变形对气动加热和结构温度场的影响。而在实际飞行过程中,特别是长时间飞行后,结构变形对结构温度场的影响往往是不能忽略的,对气动力/热环境也都有直接的影响。本文以飞行器静热气动弹性计算方法为基础,对高超声速飞行器机翼模型进行了考虑热气动弹性变形影响的气动热与传热耦合计算,并与不考虑变形对热环境影响情况的计算结果进行了对比分析。结果表明,虽然对于大面积区域变形对气动热/结构温度场的影响较小,但对于热防护结构重点关注且精度要求较高的前缘驻点附近区域计算结果变化明显。由此,也说明了考虑弹性变形对结构温度场预测的重要性。该研究工作为进一步提高飞行器结构温度场预测精度和结构热安全性能评估能力奠定了基础。