现代试验设计方法在高速风洞试验中的应用

为了验证现代试验设计(MDOE)方法在高速风洞试验中应用的可行性,进一步提高风洞试验效率,采用区组化的回归组合设计进行了某运输类飞机亚声速基本纵向常规测力风洞试验,通过少量关键控制点数据建立了气动力参数随马赫数和迎角变化的二阶响应面模型,并进行了方差分析及显著性检验。同时,通过额外增加的试验点检验响应面模型的精准度。试验及分析结果表明:通过回归组合设计少量试验点建立的纵向气动力系数响应面模型预测误差满足高速风洞飞机模型测力试验精度指标要求,方差分析(ANOVA)及显著性检验结果正确反映了迎角、马赫数对飞行器基本气动特性的影响规律,突显出MDOE方法应用于风洞试验方案设计及数据分析的显著优势。     

亚跨超风洞现代试验设计方法研究

开展了基于现代试验设计方法(MDOE)的亚跨超风洞试验研究,以八号标模尾翼为试验对象研究其气动特性,采用同时改变攻角-侧滑角的多变量方法,而不是传统的单变量(OFAT)方法进行试验。对自变量攻角和侧滑角进行试验设计(DOE),应用响应面法建模,用IV-最优方法对测量点分布进行设计。在FD-12亚跨超风洞完成了试验,并和传统的OFAT方法结果进行比较分析。结果表明:MDOE方法获得的数据和传统的OFAT方法的数据吻合很好;MDOE采集样点数减少了46%,吹风的时间比OFAT减少30%左右,提高了风洞试验效率,缩短了试验周期;MDOE试验方法可以给出设计空间内任意给定自变量对应的响应值及其置信区间。     

栅格舵气动与操纵特性高速风洞试验技术研究

为研究飞行器单独栅格舵全尺寸模型气动特性,考核、验证舵控系统操纵性能,在FL-24风洞（1．2m×1．2m）开展了专项试验技术研究。首次在国内高速风洞建立了全尺寸栅格舵高速风洞试验平台,主要内容包括：风洞大载荷侧壁支撑装置设计、高速风洞模型保护装置设计、高灵敏度气动测试天平研制、模型风载条件下变形测试系统设计以及动态气动力测量与数据处理方法等。该项试验技术实现了模型气动与舵控系统以及气动与结构一体化试验验证,为栅格舵尾翼布局飞行器相关专业设计及飞行试验提供了重要试验数据。     

高速自旋飞行器气动参数辨识

根据高速自旋飞行器运动的特点，发展了气动参数辨识的一种数学模型，辨识参数包括静态气动导数、气动阻尼导数和马格努斯力矩导数等。仿真算例证实了该数学模型的有效性。应用该数学模型分析处理了某高速自旋飞行器的飞行试验数据．辨识获得了其主要气动参数，并分析了若干常见误差源对气动参数辨识结果的影响。     

微型飞行器气动布局的弹射试飞研究

提出了3种不同的微型飞行器气动布局方案：平直机翼、＂M＂形机翼和附加翼稍小翼的气动布局形式.设计、制作了无动力弹射模型和弹射发射平台.通过多次无动力弹射试验,对相关数据进行了对比分析,发现在上述3种气动布局形式中,以具有一定高度的翼稍小翼的气动布局形式为最好.     

乘波体飞行器气动布局优化设计

由于具有高升阻比,乘波体是高超声速巡航飞行器气动布局的首选方案。文章在求解圆锥激波流场精确解的基础上,应用流线追踪方法,建立了乘波体飞行器气动布局的参数化模型。在此基础上,对飞行器的气动力特性进行了估算。最后,以气动布局参数为设计变量,升阻比最大化为设计目标,对乘波体飞行器进行气动布局优化设计,应用改进的粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO),对优化模型进行求解,得到了优化的气动布局设计方案。     

有翼再入飞行器气动外形集成设计优化

气动外形设计是有翼再入飞行器（RV-W）的关键技术之一。分析了气动参数对再入飞行性能的影响,探讨了有翼再入飞行器气动外形设计的规律和准则。基于上述设计准则,以类X-37B飞行器为研究对象,集成几何参数化建模、气动力、气动热、热防护等学科快速分析方法,采用多学科设计优化方法,以最优气动特性为目标对飞行器气动外形进行了优化;得到优化气动外形后,对飞行器热防护系统（TPS）进行了轻量化设计优化。结果表明,优化外形的气动特性相比初始外形得到了较大的提升,设计优化得到的热防护系统重量占比（8.7%）优于同类飞行器的热防护系统重量占比统计数据,说明了本文有翼再入飞行器气动外形集成设计优化方法的有效性,可为同类飞行器提供参考。     

风洞 MDOE 的形式实验设计方法研究

MDOE 风洞实验方法能够用相对于传统实验方法更少的吹风次数,获得更高精准度的数据。为了解决现有基于参数模型的 MDOE 方法获取较强非线性气动规律能力的不足,需要发展基于非参数模型的 MDOE 方法。本文对基于非参数模型的 MDOE 的形式实验设计方法进行研究。通过“虚拟”风洞实验的方法,对两种常用的“空间填充设计”———拉丁超立方设计和均匀设计应用于风洞实验的适用性进行对比,并在此基础上发展了几种对均匀设计的优化改进方法,可以进一步提高样本点设计质量,使其满足风洞实验的要求。研究表明：均匀设计较拉丁超立方设计更为稳健、均匀,更适合基于非参数模型的风洞 MDOE 方法;在均匀设计方法基础上,根据风洞实验的特点发展了优化方法,包括边界点补充、样本点密度调整和重复点设计,能够将已有的“先验信息”应用于实验设计中;所发展的形式实验设计方法所需的测量点要少于 OFAT 方法的测量点（如示例中所用的测量点数仅为 OFAT方法的66．7％）,且能够充分和准确地对较剧烈的非线性变化规律进行采样。本文对风洞 MDOE 的形式实验设计方法的研究结果,为后续发展基于非参数模型的风洞 MDOE 方法奠定了基础。     

临近空间浮升一体化飞行器气动布局研究

以数值模拟为手段,对临近空间飞行器典型的气动布局进行了大量的计算和评估分析,对不同的气动外形进行了多方面的对比研究.结果表明,在不同的速度范围内,各气动布局外形具有不同的气动和浮升特性,不同飞行速度的飞行器在选择气动布局形式方面存在很大差别,为浮升一体飞行器的选型设计提供了一种指导.     

美国陆军先进高超声速武器气动问题分析

高超声速飞行器是临近空间飞行器研究的主要类型之一。本文简要介绍美国陆军先进高超声速武器(AHW)计划背景和试验飞行器构型;探讨和分析了AHW的弹道设计、气动布局特点;跟踪美国类似气动布局构型的气动试验研究开展情况,为相关高超声速飞行器的研究提供参考。     

扇翼飞行器气动特性优化设计

采用多目标优化和数值模拟结合的方法对扇翼飞行器气动特性进行了优化研究。CFD计算结果与文献结果对比,验证了数值方法的可靠性。计算得到多结构参数影响下扇翼飞行器高升力、低阻力的优化结构参数和主要影响因素。研究结果表明,建立的近似数学模型和优化结果精度较高,满足工程需要。优化后,扇翼飞行器的升力和推力较大,飞行器气动特性得到显著改善。     

基于代理模型的高效全局气动优化设计方法研究进展

基于高可信度计算流体力学的数值优化设计方法，在提高飞行器气动与综合性能方面正发挥着越来越重要的作用。基于代理模型的优化算法（SBO），由于能够实现高效全局优化，逐渐成为了气动优化设计领域的研究热点之一。近20年来，代理优化算法研究已取得了长足进步，多种先进的新型代理模型被提出，优化理论和算法也不断完善和发展。以飞行器精细化气动优化设计为背景，综述了基于代理模型的高效全局气动优化设计方法研究进展。首先，介绍了基于变可信度代理模型的气动优化设计方法、结合代理模型和伴随方法的气动优化设计方法以及基于非生物进化的并行气动优化设计方法的研究现状和最新进展。然后，针对飞行器气动优化设计学科领域的前沿问题，介绍了基于代理模型的多目标气动优化设计方法、混合反设计/优化设计方法、稳健气动优化设计方法的研究进展，以及基于代理模型的多学科优化设计方法的研究进展。文献综述表明，代理优化算法在设计效率、全局性以及鲁棒性等方面性能优良，已经发展到可以解决100维（100个设计变量）以内的气动优化设计问题，具有良好的工程应用前景。最后，探讨了基于代理模型的高效全局气动优化设计在理论、方法及飞行器设计应用方面所面临的问题和挑战，给出了未来研究方向的建议。     

风洞非均匀流场中的一体化高超声速飞行器缩比模型气动性能研究

准确预测气动推进性能是吸气式高超声速飞行器研究的重要挑战之一。针对CARDC吸气式高超声速实验室（AHL）自主设计的一体化高超声速飞行器风洞试验模型,通过数值模拟计算,研究了CARDC600mm脉冲燃烧风洞的流场,并与试验结果做了对比,确定了试验模型在风洞中的合理安装位置,分析了带舵面飞行器在进气道打开、发动机不工作情况下的气动性能,对比研究了试验模型部分处于风洞流场非均匀区时,风洞结果对模型气动性能产生的影响,对比了数值计算结果和风洞试验结果。结果为利用风洞试验结果准确分析飞行器气动性能提供了重要依据。     

飞行器气动外形设计方法研究与进展

计算机技术与计算流体力学的不断发展带动了飞行器气动外形设计学科的巨大进步,气动外形设计方法经历了从"Cut-and-Try"到反设计再到优化设计,气动分析方法从依赖风洞试验到低可信度CFD计算再到高可信度CFD计算。随着气动外形设计方法的不断发展以及对飞行器性能要求的不断提高,气动设计对象、设计状态、优化模型、约束条件等都在变得越来越复杂与精细化,使得气动外形设计方法面临新的考验与挑战。本文根据作者及课题组多年研究的积累,结合国内外相关的研究成果,系统地回顾了飞行器气动外形设计方法的研究进展,对当前气动设计方法面临的新问题与新挑战进行了总结,并对未来气动外形设计的研究方向进行了展望。     

有翼高超声速再入飞行器气动设计难点问题

有翼高超声速再入飞行器是近年来的研究热点,气动设计是飞行器设计的关键。为了更清楚地认识有翼高超声速再入飞行器气动设计的难点问题,对有翼高超声速再入飞行器的发展、优势及总体任务剖面进行了介绍,从5个方面详细介绍了该类飞行器气动设计的难点问题,包括多约束复杂面对称气动布局设计、高温真实气体效应对气动特性影响、天地差异与天地换算方法、反作用控制系统(RCS)喷流干扰对气动特性的影响以及气动数据不确定度等,简要阐明了这些难点问题对总体设计的重要性以及初步的解决思路,为有翼高超声速再入飞行器气动设计提供了一些参考。     

高亚声速低雷诺数翼型气动优化设计研究

针对临近空间和火星飞行器的螺旋桨通常面临的高亚声速、低雷诺数的特殊气动问题,首先,结合经过验证的基于■转捩模型的RANS数值模拟方法,并基于代理模型建立了高亚声速、低雷诺数气动优化设计框架。然后,针对临近空间螺旋桨翼型,在设计工况点(Ma=0.77,Re=1×10⁵)开展了以改善升阻比为目标的气动优化设计。结果表明,优化翼型较原始低速翼型升阻比在设计点附近大幅提升,气动性能得到显著提高。研究结果可为临近空间和火星飞行器的气动设计提供技术支持。     

飞翼布局飞行器大迎角非定常气动建模

为进一步研究复杂流场气动力模型和辨识方法,通过常规飞翼布局飞行器动态单独俯仰和单独滚转试验数据获得"同相"和"反相"导数。在采用状态空间法建立非定常数学模型的基础上,利用两步线性回归辨识出模型参数,给出带有误差限的特征时间常数分布。数学模型辨识结果与大迎角大振幅运动的试验数据对比表明,该模型建模结果基本上与试验气动数据变化一致,能够反映模型大迎角时的非线性和非定常特性,具有可用性。     

复合无人飞行器气动特性研究

基于对复合无人飞行器三维流场数值模拟计算,比较分析了串列翼布局方案和单机翼布局方案复合无人飞行器在巡航状态下的气动性能优劣.分析了串列翼系统中前后翼气动特性上的差别,前翼的气动效率要高于后翼,前翼要先于后翼失速.研究了前后翼垂直相对距离对串列翼气动性能的影响.计算了不同迎角下全机的气动力系数,通过分析机身和机翼对全机气动力贡献情况,建议对于复合无人飞行器气动设计,机翼设计以获得较大的升力系数为目标,机身设计以获得最小的阻力系数为目标.     

微型飞行器优化设计及气动特性分析

微型飞行器(MAV)气动布局形式是影响其飞行性能指标的关键因素之一。从总体角度出发，设计出三种不同气动布局的MAV，并对其进行了优化设计和气动特性分析。研究结果对MAV气动布局的设计有一定的指导意义。     

气动热环境下玻璃窗口热应力试验分析

飞行器在大气层内高速飞行,气动加热会引起飞行器玻璃窗口损坏。为分析玻璃窗口在气动热环境下热应力状态,在高频等离子体风洞中采用电阻应变计测量方法开展了试验研究。本文针对玻璃窗口的特点,介绍了玻璃窗口模型的固定支架设计以及在玻璃上安装应变计的方法和特点。针对试验快速升温的特点,对应变计标定了瞬时热输出,并与稳态热输出进行了对比。通过风洞试验得到了气动热环境下玻璃窗口模型应变应力变化结果,并利用有限元计算验证了该试验结果。试验结果表明,玻璃窗口模型在最高温度300℃试验状态下应力状态处于合理水平,热应力不会对玻璃窗口造成损坏。