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。     

固体运载火箭底部对流热环境数值模拟

采用数值仿真方法,开展了固体运载火箭底部对流热环境计算研究。采用线性化热力学参数的单一介质简化处理方法,模拟了发动机喷流与高速主流的流场,得到了热流与温度参数,并与飞行试验结果进行了对比分析。结果表明固体运载火箭底部存在较为严酷的对流热环境,本文的数值计算结果与真实飞行试验结果吻合较好,该方法可为固体运载火箭的热环境与防热设计提供参考。     

发动机喷管对火箭气动静稳定及控制特性影响研究

发动机喷管外露于火箭尾部是常见情形,但在火箭气动设计过程中却经常不予考虑。利用数值计算方法,研究喷管外露部分对火箭气动静稳定及控制特性的影响。计算结果表明:在超声速Ma=2~12、攻角30°范围内,外露喷管对火箭气动静稳定性有1%~2%的增加,且气动控制效率明显,喷管±3°摆角产生的气动控制力矩约为头部空气舵±20°摆角的1~2倍。因此,对于确实存在喷管外露的火箭,在气动特性设计过程中需充分考虑喷管对静稳定性的影响,甚至可以考虑将喷管作为气动控制面,用于火箭无动力滑行段的姿态控制。     

风标式攻角传感器在超声速飞行运载火箭中的应用研究

以运载火箭上的风标式攻角传感器为研究对象,首先运用风洞试验研究其在超声速气流中的静态以及跟随特性。针对箭体常采用的规则旋成体,运用数值仿真分析当地攻角与来流攻角的关系。发现同一位置不同高度(距箭体壁面)当地攻角的变化较小,而同一截面不同周向位置上的影响则较大。在攻角平面内当地攻角不反映来流攻角信息;在垂直于攻角的平面内,受绕流的影响,当地攻角大于来流攻角;在两平面夹角的中心位置,当地攻角大致与来流攻角相当。运用数学分析解算出探测攻角与当地攻角、侧滑角的变换关系,最终获得攻角传感器的探测特性。基于火箭绕流流场的特征以及传感器的探测特性,建议工程应用时在4个象限的中心线上分别布置一个攻角传感器以获得飞行攻角和侧滑角。     

基于直通型CT试样测试方法的断裂韧度研究

依据ASTM用于CT试样获取断裂韧度载荷分离理论规则化方法提出量纲一载荷分离法,从而完善用于断裂韧度测试的载荷分离理论,且根据弹塑性有限元精细计算结果以及直通型CT变形几何关系,提出裂纹嘴张开位移与加载线位移的转换公式。采用不同初始裂纹长度CT钝裂纹试样对公式的有效性和精确性进行试验验证,进而实现对1Cr12Mo、30Cr2Ni4Mo V以及P91管材10Cr9Mo1VNb N三种合金直通型CT试样的JR阻力曲线测定,结果表明,试验值与公式计算值的最大相对误差均在5%以内。     

固体火箭尾舱热环境研究

对固体火箭尾舱热环境的组成成分进行了分析，利用理论和数值仿真方法，给出固体火箭沿真实飞行轨道条件下的热环境预示结果，并与地面试验及飞行试验测量结果进行对比。结果表明，固体火箭尾舱热环境存在天地差异，在地面发动机试车状态时，尾舱热环境以喷流辐射热流为主；真实飞行状态时，在发动机喷流和高速来流的相互作用下，火箭尾舱还存在量值更大的对流热流。针对固体火箭尾舱对流热环境提出的线性化热学参数单一介质数值模拟方法可用于固体火箭尾舱热环境设计。     

入射激波边界层干扰分离流场结构研究

入射激波边界层干扰易导致边界层分离,为了分析其局部流场结构,捕获局部高压、高热区,掌握分离泡的大小,本文针对入射激波导致的边界层分离流场,构造简化模型,辅助以极曲线理论分析描述,结合自由干扰理论、激波关系式以及分离区长度工程估算首次给出完整的理论求解。该理论模型可快速获得流动图画,给出流场参数分布,便于分析整体流场结构,并得到了很好的数值验证。运用该理论模型对分离泡高度进行了参数化分析,分离泡高度随来流马赫数的增大先略有减小再增大,同时是外压缩角以及飞行高度的增函数。     

突然启动流动问题:从不可压到高超声速流动

突然启动流动问题在气动弹性、扑翼飞行和机动飞行中有重要应用价值。鉴于此,对突然启动流动问题涉及的流动与升力演化机制和理论分析方法进行统一介绍并指出目前的理论空白。比较性地介绍了升力随时间变化的原因、预测升力演化的理论方法和主要变化规律。从中发现,不可压缩和可压缩突然启动问题存在各自独立的研究方法与结论,因此进行统一介绍与分析对建立二者之间的关联有指导意义。同时指出,大迎角可压缩突然启动问题尚无理论分析方法和研究结果。作为一项补充研究,采用数值计算发现一个之前尚未报道的现象,即升力系数首先从较低值快速增加至一个峰值,接着快速下降,趋于定常值。该文综述介绍的方法可用于分析突然启动问题升力演化规律。