高超声速再入飞行器气动特性的快速预示—局部方法的推广应用

本文将计算高超声速稀薄气流过渡领域中气动特性的局部方法,推广应用到连续介质中弹头型高超声速再入飞行器气动力特性的快速估算。由激波风洞中M_∞=9.9时,一个8°钝锥的气动力测量结果,导出这一实验条件下的领域系数,并以此来估算不同锥角、不同钝度比及不同外形弹头型再入飞行器的气动力和力矩系数,其结果与无粘数值解及实验结果作了比较,在攻角2°～14°范围内吻合得很好。局部方法可用于弹头型高超声速再入飞行器气动特性的快速预示。     

平衡气体对乘波体气动力特性影响

通过计算流体动力学(CFD)方法研究了乘波体在平衡气体条件下的气动力性能,并与完全气体条件下的计算结果进行了对比,分析结果表明:平衡气体对乘波体气动性能的影响是由边界层内的化学反应降低了边界层诱导压力而产生的.相对于攻角的影响,平衡气体效应对乘波体升阻比及俯仰力矩的影响并不大,但对压心位置有一定影响;并且平衡气体效应对乘波体气动特性的影响规律有别于其对再入轨道器气动特性的影响规律.研究结果对高空滑翔乘波体飞行器的设计有一定的参考价值.      

钝头飞行器大攻角绕流流场计算

本文用有限差分法求解Ｎ－Ｓ方程，对具有大面积底部飞行器的高超声速大攻角绕流流场进行了计算，通过积分物面压力给出了飞行器的气动力特性，并研究了攻角的影响，物面压力系数和气动力系数与实验数据进行了比较，符合较好，结果可应用到返回舱和弹头的再入气动特性研究。     

关于非对称外形再入飞行器的压力中心系数的新定义

本文给出了非对称外形再入飞行器的压力中心系数的一种新的定义方法。用它计算出的无侧滑的非对称外形再入飞行器的压力中心系数,随攻角的变化是连续的,即不再出现∞型间断。对于对称外形再入飞行器的原来的压力中心系数的定义方法,只是新定义对于对称外形再入飞行器应用的特例。     

变质心控制飞行器建模技术及运动机理研究

以单质量块滚转通道变质心控制再入飞行器为研究对象,研究变质心控制飞行器动力学建模技术及其运动机理。基于牛顿力学建模法及多刚体理论建立了变质心控制再入飞行器动力学模型,并对因质量块运动产生的力矩进行了分析。仿真结果表明,由质心偏移引起的附加气动力矩是变质心控制的主导控制力矩,且质量块的不同安装位置及质量比将影响控制性能。     

关于钝锥体气动力特性分析及最优化外形选择

在高M数和小攻角α下钝锥体外形都存在最佳钝度比(R_N/R_B)~*,使其压心系数达到高峰值。在再入飞行器外形设计中可以利用这一特性使所选择的外形有较好的飞行力学性能,如可减少滚动共振出现的概率等。文中给出确定最佳钝度比的经验公式,提出了重阻比β的定义;并推荐计算落速的近似公式。最后,利用最佳钝度比的思想,提出了再入飞行器气动力外形的最优化设计方法。     

机动式再入弹头小滚转气动力风洞试验技术

基于气浮轴承的自由滚转式小滚转力矩测量系统的风洞试验技术,针对传统的惯性再入武器向再入机动武器发展需求,利用多孔光栅及高灵敏度光电传感器测量带小突起（如边条,小配平翼）的非轴对称模型自由滚转状态下的角速度随时间的变化过程。采用理论验证、最小二乘拟合、动力学仿真计算等方法,建立相应滚转力矩气动力模型进行试验数据处理和分析。风洞试验结果显示,数据大小合理,规律性好,同时可获得试验模型在滚转运动中的滚转气动力随时间的变化曲线,以及任意滚转角位置的小滚转静力矩,能够满足机动式再入弹头小滚转气动力测量试验的发展需求。     

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。     

非线性气动恢复力与飞行器动稳定性

复杂流动中,飞行器非定常气动数值计算后的参数辨识、飞行器模型的风洞定常测量、风洞动态(风洞自由飞)测量均显示了飞行器非线性气动刚度项(气动恢复力项、如俯仰力矩 攻角曲线Cm θ)将出现局部静不稳定( Cm/ θ>0)。　　飞行器气动恢复力对运动稳定性影响以往讨论较少,本文讨论了非线性气动恢复力局部出现静不稳定条件下的动稳定特性,其特点是突跃性、单边性与不确定性。飞行器飞行遥测数据分析支持了上述动稳定特性的描述。     

双喷管发动机喷流对飞行器气动特性的影响

从三维薄层近似N S方程出发 ,采用高效ENO差分格式 ,对位于弹体中部两侧的双喷管发动机喷流与马赫数Ma∞ =0 7～ 0 9、攻角α =0°～ 10°飞行条件下弹体绕流形成的干扰流场进行了数值模拟。研究发现与无喷流情况相比较 ,引入喷流使升力和俯仰力矩增加 ,压心后移 ;在飞行攻角一定时 ,马赫数对飞行器气动力特性影响较小 ;有侧风干扰时 ,喷流增强了航向稳定性。对零攻角情况喷管安装和喷管出口不对称带来侧向力和偏航力矩也进行了研究。计算结果与飞行实验观测现象定性一致     

火星大气非平衡条件下驻点热流计算公式的探讨

针对目前绝大多数火星再入飞行器驻点热流公式未考虑热力学非平衡效应故而适用性及准确性存疑的问题,分析了典型的零攻角驻点热流公式Fay-Riddell公式在火星再入飞行器热力学非平衡驻点热流计算中的局限性;然后采用数值计算方法,对涵盖火星再入飞行器飞行状态的大范围计算状况开展了热力学非平衡模拟,并对模拟得到的驻点热流公式进行拟合,得到了适用于火星再入飞行器热力学非平衡条件下的零攻角驻点热流计算公式;利用Mars Pathfinder飞行数据对公式进行了验证,计算表明,对于验证的计算状态,该公式的计算误差小于10%,符合工程预估的可接受误差范围。     

基于代理模型的升力式再入飞行器质心位置优化

针对传统设计过程中飞行器质心位置的确定需要与弹道、结构、控制等分系统进行迭代设计,设计周期较长,且难以得到准确的质心可行区域问题,以一种升力式再入飞行器为研究对像,分析了飞行器的多种设计约束要求。通过建立质心位置坐标满足设计要求的可行度Kriging代理模型,实现了飞行器质心位置可行区域的精确预测,并采用遗传算法得到了最优的质心位置坐标。研究结果表明,所提方法实现了升力式再入飞行器质心位置的快速选择,大幅提高了设计效率。     

用非结构动网格技术计算确定再入飞行器配平攻角

提出了用数值计算直接确定飞行器配平攻角的自由振动法.该方法采用非结构动网格技术,使飞行器在气动力作用下绕通过质心的轴线自由振动,最终衰减到配平攻角.构造了一种MUSCL类型有限体积格式,求解考虑了动网格效应的三维非定常Euler方程,采用弹簧近似技术实现非结构网格的变形运动.作为例证,计算确定了载人飞船返回舱的配平攻角,计算结果与实验结果接近.该方法外形适应能力强,效率较高,具有较好的应用前景.     

基于当地流活塞理论的翼-身组合体飞行器大攻角超声速颤振分析

基于当地流活塞理论推导了旋成体机身和任意外形三维机翼非定常气动力计算公式,结合CFD数值仿真,将当地流活塞理论推广用于复杂外形飞行器全机大攻角超声速颤振计算。以翼-身组合体面对称外形飞行器为例,进行带攻角的超声速颤振计算,并与非定常气动力采用CFD全数值仿真求解得到的颤振计算结果比较,验证了本文方法的正确性和效率。     

一种减小再入飞行器侧向气动非线性的布局优化方法

为改善升力式再入飞行器在跨声速段出现的侧向气动特性非线性问题,发展了一种基于Kriging代理模型的自适应迭代气动布局优化方法.设计了一种常规升力式再入飞行器布局,计算了该布局在跨声速段的侧向气动力,分析了可能影响侧向气动特性的机翼布局参数.根据气动布局优化流程,计算了气动布局样本气动特性,建立了布局参数到侧向力矩系数...     

柔性变后掠飞行器非定常气动特性数值研究

为研究柔性变后掠飞行器变形过程中的非定常气动力,对柔性变后掠飞行器进行了非定常数值仿真。首先分析了柔性变后掠飞行器在特定后掠角下的定常气动特性,接着选用三种变后掠周期进行了非定常计算,分析了不同变后掠速度对飞行器气动特性的影响,以及定常与非定常气动特性的差别,并研究了这种差异产生的原因。结果表明:柔性变后掠飞行器通过后掠角的改变可以使实时气动性能达到最优;不同变后掠速度引起的气动力差异不大;定常气动力与非定常气动力最大差异不超过7%,其差异主要是由于机翼上气动力的差异引起;非定常计算的升力、阻力系数大于定常结果,俯仰力矩系数与定常计算值差异不大。非定常气动力的产生机理是由于机翼的附加速度所引起的,与流场迟滞无关。总体上看,攻角小于14°时,小后掠可以取得较大的升力、阻力系数;大于14°攻角,大后掠的升力、阻力系数较大;所有后掠角均在4°攻角处取得最大升阻比且小后掠角的升阻比较大;当升力系数小于1.28时,小后掠角产生较小的阻力系数,超过这一数值,大后掠角的阻力系数较小。     

飞行器动态气动特性研究的问题

本文介绍了飞行器动态气动特性研究的几个问题,包括:大攻角动稳定性的提法;大攻角动稳定性风洞试验技术;大攻角非定常气动力的典型特性;和大攻角非定常气动力风洞试验技术等.这些问题关系到飞行器安全飞行包线和飞行器的机动性和可控制性,因而,在新一代先进飞行器的研制过程中越来越受到重视.     

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.     

基于等离子体激励的飞翼布局飞行器气动力矩控制

以飞翼布局飞行器所面临的飞行控制问题为背景,采用气动力测量技术和粒子图像测速(PIV)技术,在来流风速为8.2 m/s时,研究了介质阻挡放电等离子体激励器对飞翼布局飞行器气动力矩的作用.研究结果表明:在飞行器不同位置布置不同的激励器,可以实现对飞行器滚转、偏航及俯仰力矩的控制;改变激励电压,实现了对气动力矩的比例控制;通过与常规舵面的舵效进行比较,采用等离子体激励器获得的气动力矩控制,可以达到常规舵面一定偏转角度的控制效果.流场测量结果表明:等离子体激励器对飞翼布局飞行器气动力矩的控制,主要是通过控制流动分离和前缘涡破碎点位置的变化来实现的.因此,可以考虑应用等离子体流动控制技术来增强传统的舵面控制,并在提高控制效率的基础上,使其成为一种新型的飞行控制方式.     

攻角振荡对高超声速进气道性能影响数值模拟

应用重叠网格计算方法对高超声速飞行器出现攻角振荡时的发动机进气道的流场特性进行了数值模拟,给出了频率为10,20,40 Hz以及3°和5°振幅对进气道气动力、总压恢复系数和流量系数的影响,比较了飞行器在Ma∞=4,H=17 km爬升阶段和Ma∞=6,H=28 km巡航阶段攻角振荡对进气道性能参数的影响。计算结果表明,攻角的动态变化会造成进气道气动力、总压恢复系数和流量系数出现较大波动。