高超声速乘波体飞行器机身/发动机一体化关键技术研究

飞行器在高空中作长时间巡航飞行时,对升阻比提出了极高要求,而高超声速乘波飞行器因其具有高升阻比、均匀的下表面流场以及高度一体化性能得到研究者重视,成为未来空间飞行器新的研究热点.简要介绍了高超声速秉波体飞行器机身/发动机一体化国内外研究进展,着重阐述了其关键技术及其研究,主要包括前体/进气道一体化技术、燃烧室构型优化技术和尾喷管/后体一体化技术,并对未来高超声速秉波体飞行器构型的进一步发展提出了设想--采用流线追踪思想,以Busemann进气道和圆形或椭圆形燃烧室作为其推进系统的两大重要组成部分,同时其机身具有膨胀上表面.     

面向控制的可变形乘波体概念设计与分析

针对高超声速乘波飞行器强耦合、非线性和大包线飞行等特点,在概念设计阶段将智能变形技术引入到乘波体设计中来,根据不同飞行状态调整乘波体外形,实现飞行性能的最优化.利用高超声速空气动力学和具有热增加的准一维流估算乘波体表面气动力和发动机推力,建立可变形乘波体的参数化数学模型.仿真分析可高燃冲压发动机性能和乘波体气动特性随结构变化的关系,针对发动机性能提出了变形的依据.通过经典的内外环分布式控制器控制可变形乘波体的姿态稳定的同时具有一定的指令跟踪能力,并且验证了形变对飞行和控制性能的影响.     

设计参数对幂次乘波体纵向静稳定性的影响

为实现幂次乘波体的纵向静稳定设计,对幂次体激波面后流线的“凹凸”特性与设计参数之间的关系进行了研究,并以此为依据,通过数值计算的方法得到了设计参数与幂次乘波体纵向静稳定性之间的关系。结果表明：幂次体激波面后的流线由“内凹”和“外凸”两部分组成;设计参数c越大、n越小、设计Ma越大、前缘点布置的越靠前以及乘波体长度L越长,流线的“外凸”段所占比例越大,由此得到的幂次乘波体纵向也就越稳定;此外,在其他设计参数确定的情形下,前缘线形状的改变并不影响乘波体的纵向静稳定性。     

Ma4.5巡航飞行器乘波体方法优化设计

采用多参数综合目标函数的乘波体优化设计方法，研究了乘波体外形设计参数量化方法，以及设计实用的乘波体时选择优化目标应考虑的因素，并由任意形状开始，用完全的优化方法设计出了巡航M数4～4．5的飞行器乘波体外形。本文的研究表明，用完全的优化方法设计乘波体，选择合理优化目标函数是非常关键的一步，它决定了能否得到合理可用的最终设计结果。     

多级压缩锥导乘波体设计与分析

提出了多级压缩锥导乘波体的设计方法,该方法应用吻切锥理论和零攻角圆锥绕流基准流场通过流线追踪生成具有多个压缩面的乘波体。对以吸气式冲压发动机为动力的高超声速飞行器,应用多级压缩乘波前体可充分发挥前体的预压缩作用,为进气道的正常工作提供所需的均匀流场。以二级压缩乘波体为例阐述了该设计方法,设计方法通过对二级压缩基准流场进行重构,使其符合Taylor-Maccoll流动模型以获得新的二级压缩基准流场。同时编写设计程序生成了一级、二级和三级压缩乘波体,通过数值模拟结果校验设计方法的正确性,并对其压缩性、升阻比、总压恢复系数等性能进行了对比分析。     

基于类咽式进气道的高超声速飞行器一体化设计

针对吸气式高超声速飞行器高空巡航飞行时净推力和升力不足的难题,探索了一种基于类咽式进气道的高超声速飞行器一体化设计方法。该方法耦合了具有高升阻比特性的乘波机体和气流压缩性能优异的三维内收缩进气道,获得了一种气动性能较优的高超声速飞行器一体化构型。在设计过程中,对一种咽式进气道的几何外形和激波系结构进行了适当改变,得到了能与楔形乘波前体进行一体化设计的类咽式进气道构型,并采用遗传算法对进气道参数进行了优化;以所得到的进气道和乘波体为基础对飞行器整体构型进行了飞行器内外流一体化设计。无黏计算所得流场与理论设计吻合良好,有黏计算结果表明该飞行器在马赫数7时最大升阻比达到3.4,具有良好的气动性能。     

吸气式高超声速飞行器气动热试验研究

为获得吸气式高超声速飞行器气动热环境的数据,开展了气动热试验研究。在激波风洞中,来流马赫数Ma=6.12,来流单位雷诺数Re/L=1.37×107(1/m)试验条件下,对吸气式高超声速飞行器1/4缩比模型进行了表面气动热的测量。试验获得了小攻角变化范围内的飞行器头部前缘、头部上下交线、机身上下表面中心线、机身横截面周向、平尾垂尾前缘、发动机唇口等位置的热流率分布。研究结果表明,吸气式高超声速飞行器头部前缘、前体进气道壁面、发动机唇口、平尾垂尾前缘气动加热最为严重,另外乘波体外形的设计与布局影响热流的分布。     

考虑高空粘性干扰效应的乘波体气动性能工程预测方法研究

粘性干扰效应是飞行器在高空、高马赫数飞行状态下所面临的诸多重要物理效应之一,对飞行器在这一区段飞行时的气动性能有着极其重要的影响.本文基于粘性干扰理论,结合参考温度方法提出了一种能够考虑粘性干扰效应的高超声速乘波体气动性能的工程预测方法,克服了传统工程预测方法不能计及粘性干扰效应的不足.文中对该方法的合理性进行了理论分析,并在飞行高度30～70km,飞行马赫数15～20范围内,通过本文提出的方法与传统工程方法以及计算流体力学(CFD)方法计算结果的比较,验证了本文所提出的方法的有效性.     

高超声速飞行器建模与控制的一体化设计

针对高超声速飞行器纵向模型具有非线性、强耦合及不确定性等特点,提出 高超声速飞行器建模与控制一体化设计方法。该方法首先以具有典型结构的高超声速飞行器 几何外形为研究对象,结合高超声速空气动力学的有关理论,建立飞行器的非线性纵向模型 方程;然后在不同飞行条件下获取多个平衡点,分析飞行的气动特性,进而在每一个平衡点 上设计具有非线性解耦控制能力的控制器,并将得到的多平衡点控制参数结合起来,进行插 值计算,实现多平衡点的连续飞行;最后的仿真结果表明,本文提出的方法是切实可行的。
     

高超声速飞行器前缘缝隙流动数值模拟研究

通过分析高超声速飞行器前缘防热瓦结构,建立了一种开缝前缘的简化模型。针对这一模型的流场通过求解三维可压缩Navier Stokes方程进行了数值模拟。研究了缝隙诱导形成的三维旋涡的空间分布特征和旋涡运动对物面气动加热的影响规律。模型圆弧段缝隙肩部倒圆区因存在较强的三维效应形成“常规”高热流区,而缝隙内主旋涡再附致使侧壁上存在一个“非常规”高热流区;模型平直段展向流动诱导缝隙上方出现较强的旋涡运动,同时流动在缝隙倒圆区形成分离涡并于缝隙侧壁面再附,受这些旋涡运动的影响,缝隙肩部倒圆区转变为局部热流低值区,缝隙侧壁上存在局部热流高值区。     

Waverider

On 17–19 October 1990 the University of Maryland hosted the 1st International Hypersonic Waverider Symposium. It has been a long wait; and although far more eminent contributors took part, there was also one amateur group. The comeback for the Waverider concept is due in part, at least, to determined advocacy by the amateur group, ASTRA — probably the first case of its kind. Duncan Lunan, President of ASTRA, explains.     

乘波飞行器气动力、热特性的数值模拟研究

采用多块分区网格以及并行计算技术对给定乘波构形的高超声速飞行器进行了数值模 拟,分析了飞行器前缘小半径钝化对飞行器气动性能的影响,计算了前缘钝化后飞行器表面 的热流分布状况。结果表明,前缘钝化对飞行器的升力影响不大,对阻力和升阻比的影响较 大。对于曲率半径为1cm的钝化前缘,与原尖前缘飞行器相比,其升力降低了0.78％,阻 力增加6.96％,升阻比下降7.21％。前缘钝化后,乘波飞行器仍具有较好的气动性能, 飞行器前机身可为发动机提供比较均匀的气流,飞行器整体仍基本保持了乘波的状态,热流 主要集中在飞行器前缘上。为了有效防热,需要采用主动式冷却技术。     

锥导乘波机的构型设计与性能研究

以圆锥绕流流场为基础,运用锥导理论生成了不同的乘波机构型,并对乘波机进行了包括升力、粘性阻力、波阻、升阻比、乘波机长度、体积、容积效率等各主要性能指标在内的性能计算,初步确定出了锥导乘波机性能的变化规律及其决定性定型参数。计算结果表明:锥导乘波机构成方法简单且具有较高的升阻比和反设计性能,源流场圆锥半锥角、乘波机上表面型线曲率半径是影响锥导乘波机性能的决定性定型参数。     

边缘钝化对乘波构型性能影响分析

基于乘波构型设计高升阻比飞行器是新型高超声速飞行器布局设计的一种有效途径.受气动热和工艺限制实际应用中需要对乘波构型具有的尖锐边缘进行钝化.为了研究钝化对乘波构型性能的影响,利用计算流体力学方法研究了不同钝化半径对乘波构型气动力和气动热的影响.分析表明:乘波构型边缘钝化可以有效降低最大热流密度,但同时也会降低布局的气动性能.随着钝化半径的增大,乘波构型的气动性能降低较为明显,但对热流密度的影响逐渐减弱.在高超声速飞行器布局设计时应综合考虑钝化对气动力和气动热的影响效应,寻找最佳的平衡点.     

乘波飞行器广义参数概念设计

在传统布局外形设计参数的基础上，提出用广义参数对乘波飞行器概念外形进行前体／进气道-后体／喷管一体化设计。对所设计的三种外形方案，计算了设计点和非设计点的气动性能，并对影响性能的因素进行了讨论。计算结果表明，采用广义参数设计乘波飞行器概念外形是可行的。     

宽速域乘波构型设计方法研究综述

乘波体是一种典型的高速气动构型,由于高升阻比和均匀的下表面流动等特性使其成为机身/进气道一体化设计的理想构型。随着对乘波体设计方法的不断研究,提高乘波体在非设计条件下的气动性能,实现乘波体的宽速域飞行成为乘波体实用化的一个重要研究方向。将目前的宽速域乘波体设计方法分成变马赫数、多级组合和涡波结合3种类型,并详细介绍了这些方法的设计过程,分析了设计方法的优缺点。     

乘波构型的钝化方法及其对性能影响研究

前缘钝化是解决乘波构型飞行器气动热问题的有效方法之一.按照乘波构型的设计特点,对已有的两种钝化方法分别进行了改进.采用CFD方法分析了前缘钝化及不同钝化半径对乘波构型性能的影响,得出了乘波构型气动力和气动热性能参数随钝化半径的变化规律.计算结果表明:在相同的钝化半径下,按改进的Tincher方法钝化后的乘波构型与按改进的Takashima方法钝化后的乘波构型相比:升阻比大、总的表面积小、最大热流密度基本一样,非驻点区乘波构型前缘的热流密度峰值较大.因而按改进的Tincher方法钝化后的乘波构型气动性能明显好于按改进的Takashima方法钝化后的乘波构型,而气动热性能则略差于后者.分析表明:钝化后的乘波构型性能不仅与钝化半径有关,而且受钝化方法的影响也很大.在对高超声速乘波飞行器进行布局设计时,应针对乘波构型的设计特点,采用合适的钝化方法,综合考虑钝化方法和钝化半径对气动力和气动热性能的影响效应,寻找最佳的钝化方案.研究结论可为高超声速乘波飞行器的外形设计提供一定的依据.     

改善内乘波式进气道出口均匀性的内收缩基本流场研究

内收缩基本流场的设计直接决定了内乘波式进气道最终性能。以出口流场均匀为目标,提出了两种新型内收缩流场,分别命名为ICFC流场和ICFD流场并给出了相应的设计方法。以来流马赫数60和出口马赫数30为条件,设计了含截短Busemann流场在内的几种典型三维内收缩流场,开展了流场分析和性能对比。综合分析后发现,在保证流场具备较高性能参数的前提下,ICFC流场出口参数最均匀,更适合于内乘波式进气道设计。初步研究获得的ICFC流场主要性能参数随入口气流偏转角的变化规律,为改善内乘波式进气道出口均匀性设计提供了依据。