开展演示验证研究突破可重复使用天地往返运输系统关键技术

利用飞行演示验证手段来减少飞行器研制费用和降低研制风险，已成为当今世界飞行器研制的发展趋势，特别是在天地往返运输系统研制中，它作为重要的研究手段被广泛采用。该文就如何借鉴国外经验、利用飞行演示验证手段突破天地往返运输系统研制的主要关键技术进行了一些初步探讨。     

一种可重复使用天地往返升力体飞行器概念及其气动布局优化设计研究

通过调研和梳理国内外可重复使用天地往返运输系统的方案、任务剖面、气动布局、气动特点以及飞行性能等发展情况,综合使用二次曲线方法与基于类型函数和形状函数的CST方法,提出一种具有较好的继承性和可持续自主创新发展的新型的可重复使用天地往返升力体飞行器概念(FL-T1)。通过对其进行全速域的升阻特性、压心与质心布置、稳定性分析等,全面掌握了该升力体布局的气动特性。通过对该布局控制舵的匹配设计,研究了飞行器的操纵效率问题。通过多目标优化设计的思想,发展和完善了多目标优化计算方法和软件。针对本文提出的可重复使用天地往返升力体飞行器概念(FL-T1),开展了考虑气动力/气动热综合的多目标优化,获得了性能较优的优化布局。研究表明,该新型气动布局概念具有较大的高超声速配平升阻比、较好的减速特性、可接受的气动热环境、较好的高超声速稳定性和气动控制效率,可以作为未来可重复使用天地往返飞行器的潜在可行方案。在综合性能上,通过本文发展的多目标优化软件优化获得的一系列气动布局方案较初始气动布局,在所关注的方面均有显著的改进,可作为一系列备选方案供设计者选择。     

高超声速飞行展望

发展下一代高超声速飞行器的需求主要来自三个方面，第一方面是军用的高超声速飞行器，包括高Ｍ数的军用飞机和导弹，特别是跨大气层飞机，将使空中的作战平台提高到一个新水平，有可能在未来的高技术战争中起到杀手锏的作用；第二方面是高超声速客机；第三方面是水平起降的完全重复使用的天地往返运输系统。     

用于级间分离研究的TBCC动力TSTO气动布局概念设计

基于涡轮/冲压组合动力的水平起降两级入轨飞行模式是重复使用飞行器降低发射成本、缩短发射周期的重要途径之一,气动布局设计需要在飞行器总体规模尺度约束下满足全速域全空域的气动特性、操稳特性及防热特性需求。为研究级间分离特性,讨论了任务使命、动力配置、飞行模式及总体规模限制下的两级入轨(TSTO)重复使用飞行器的气动布局设计,针对二级及一级面临的飞行任务需求和气动特性需求,分别提出了多种气动布局方案。对两种改进方案进行了初步的气动计算,并进行了上升段升重平衡下的飞行剖面重构。为提高级间分离的安全性并提高超声速/高超声速的升阻效率和航向稳定性,对双垂尾及可下折翼梢进行了适当修改,形成了TSTO系统新一轮研究方案,并在此基础上规划了后续研究工作。     

空天飞行器及动力技术发展研究

空天飞行器是航空航天领域重要的研究发展方向,主要有飞行器与发动机气动外形一体化设计、气动热防护、推进和制导控制四个系统性关键技术,本文仅对飞发一体化和推进技术进行研究与分析。首先从高超声速的定义入手,分析了空天飞行气动热和气动力的特点;然后比较了四种不同飞行器气动外形在性能、结构、制造、经济性和使用操纵方面的优劣,研究了不同类型空天组合动力技术的特点;最后从步骤、方法与措施等方面给出了空天飞行器及动力的发展建议。     

一种两级入轨可重复使用飞行器规模评估方法

以水平起降两级入轨可重复使用天地往返飞行器为研究对象,在考虑发动机模态转换条件及性能和飞行器推阻特性的情况下,提出了一种基于运载任务能力的飞行器结构质量和容积规模评估的逆向分析方法。根据飞行任务特点,分别借鉴提出了一种运载系统一级和二级的飞行器气动布局方案。以2T有效载荷、LEO近地轨道为任务需求,以马赫数6.0、高度30km为分离点,对飞行器外形尺寸和结构质量及燃料装填进行了评估,并探讨了飞行器结构质量与尺寸间的关系,以及推进剂参数、发动机性能和飞行剖面等对飞行器规模的影响。结果表明,发动机效率对飞行器整体规模影响显著,液体燃料在起飞总重方面有优势,更适合于两级入轨飞行器。同时,不同飞行剖面对飞行器规模有一定影响,概念设计阶段应合理选择飞行剖面以减轻设计难度。     

类X-37B航天器气动力天地相关性数值模拟

随着高性能计算机的发展,CFD已成为飞行器设计和流场分析不可缺少的重要手段,风洞试验与飞行数据的天地相关性问题正是其中一项重要的研究内容,X-37B作为继航天飞机之后美国发展的最成功的可跨大气层在轨飞行器,从气动特性角度分析其大气层内飞行走廊的状态对中国类似航天器的研制具有重要的借鉴意义。首先,对计算类X-37B布局飞行器的网格无关性及网格修正开展了研究,在此基础上提出的网格规模影响修正方法对该类飞行器的计算结果修正经过验证是可信的;然后,分别对比分析了雷诺数的影响和试验状态支架干扰的影响,完成了基于数值模拟的高空飞行与风洞试验气动特性差异分析。结果表明,网格规模主要对亚声速来流计算状态压差产生的轴向力影响较大,对法向力系数、俯仰力矩系数和纵向压心影响较小;雷诺数对该类飞行器气动特性特别是轴向力系数、阻力系数和升阻比有较大的影响,但随着马赫数的增加,影响特性开始变的非常复杂;由于风洞试验状态支杆存在,亚跨声速来流条件对该类飞行器的底阻影响很大,需要采取一定的方法和手段对支杆影响进行修正。     

面对称飞行器气动偏差与控制稳定性分析

TXI系列飞行器是一款单级火箭动力、有翼面对称飞行试验平台,在其气动设计中没有进行风洞试验,全部气动数据都是通过CFD计算所得。针对TXI飞行器首飞过程中出现的短暂振荡现象开展气动参数辨识,将获得的实际飞行气动数据与CFD计算数据进行对比,分析某些状态的气动偏差,并通过振荡状态的稳定性分析对气动偏差进行分析核验。结果表明:稳定性分析与气动偏差辨识结果一致;气动特性的偏差引起了飞行控制系统的不稳定。     

新概念融合升力体气动布局设计优化方法研究

参考国内外高升阻比飞行器气动布局设计经验,针对进出空间飞行器的气动特性要求,开展跨速域高升阻比融合升力体气动布局(BLB)研究以适应进出空间飞行器的各种要求,在传统的翼/身外形的气动效率与纯升力体高容量效率之间寻求平衡。研究表明通过构建融合升力体数模,研究气动外形的系统参数化描述方法,选择设计变量及变化范围,研究优化算法,建立融合升力体气动布局设计及优化工具,开展融合升力体气动外形优化设计是一种值得深入探讨的研究方法。本文主要通过优化平台集成数模参数化程序、网格自动化及基于Euler方程的快速流场求解程序进行优化设计并对优化结果进行分析计算,发展了一种快速有效的气动布局优化设计方法,设计了初步满足设计要求的新型高升阻比融合升力体气动布局。设计的新布局能为再入飞行器气动布局设计提供参考,所发展的优化设计方法计算速度快,成本低,可以为走向工程实用化的复杂外形气动布局优化设计打下技术基础。     

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。     

激光等离子体航天推进

 本文综述了用脉冲激光等离子体发生器为航天推进动力的可能方案。由外燃式推力器起飞,磁流体风扇升空,等离子体火箭加速。发射同样的有效载荷入轨,起飞重量只及目前航天飞机的1/20,携带燃料只需目前的1/40。先进的航天飞机将加速太阳能站和整个国民经济的发展。     

Impact of mission requirements and constraints on conceptual launch vehicle design

The objective of this paper is to analyse the impact of mission requirements and constraints on both the optimum vehicle design and the effects on flight path selection for two types of reusable two-stage-to-orbit launch vehicles. The first vehicle type considered provides horizontal take-off and landing capabilities and is intended to be propelled by an airbreathing propulsion system during stage 1 flight. The second vehicle type assumes a vertical launch and is accelerated by a rocket propulsion system during the booster stage ascent flight. The analysis employs a design tool for simultaneous system and mission optimization. It consists of a CAD-based preliminary vehicle design tool, aerodynamic and aerothermodynamic calculation software, flight simulation programs, and a two-level decomposition optimization algorithm enabling simultaneous system and flight optimization. The results to be presented show that the cruise flight requirement for an European launched mission of the airbreathing vehicle results in a loss of 60 % payload mass as compared to a mere accelerated ascent for a near equatorial mission into the same target orbit assuming constant take-off mass. The strong dependencies of mission requirements on both the optimal vehicle design and the ascent performance are determined for the rocket-powered vehicle type by varying the inclination and altitude of the target orbit.     

天地往返运输系统空气喷气组合式发动机方案探讨

本文初步探讨了用作天地往返运输系统推进装置的组合发动机,估算了其性能、尺寸、重量以及使用这些发动机时的运载能力。     

无人驾驶飞行器的气动特点和设计

首先论述了发展无人驾驶飞行器(UAV)的重要性,集中介绍了2种UAV的平台,包括:高空长航时UAV和无人战斗机(UCAV)。讨论了这2种飞行器空气动力特点和气动设计的主要问题。对于高空长航时UAV设计中要重点发展的专用翼型的设计,介绍了一种新型的杂交设计思想和提出了基于CFD技术的多目标多点优化设计的工具。讨论了此类飞行器三维机翼设计的基本要求和三维后掠自然层流机翼的设计。UCAV设计中强调了气动/隐身综合设计的重要性,讨论了无尾布局时新型先进气动控制和矢量推进相结合的必要和难点。     

空间模块化机械手系统容错控制系统研究

研究搭载在空间站或其他近地轨道航天器上的空间模块化机械手系统的容错控制系统.与地面应用环境相比较,空间特殊的应用环境存在许多不同,因而传统工业机械手系统的设计技术不能直接应用于空间机械手系统的设计.考虑到空间应用对系统质量、体积、功耗、研制费用和周期所提出的苛刻要求,主要采用COTS器件设计并实现该空间机械手系统的容错控制系统,介绍了系统的软硬件体系结构及其特点,最后给出系统的性能参数.在系统设计中采用许多已有的设计技巧与工程经验,具有高可靠性和工程实用性.     

新概念轮翼气动特性实验研究

研究一种关于小型飞行器的新型升力和推力系统——轮翼的气动特性。通过自行设计并搭建的基于虚拟仪器的实验平台,进行地面试验,试验主要研究了轮翼转速对系统气动特性的影响。结果表明：随着轮翼转速的增加,系统提供的升力及推力增大。由于轮翼系统消耗的能量绝大部分用来产生升力及推力,因此轮翼系统具有较高的工作效率,为进一步研制小型无人直升机探索新型动力模式。     

航天器返回地球的气动特性综述

航天器返回地球的飞行过程中,气动特性是实现将宇宙飞行速度减到落地前速度、保证再入飞行得到有效控制以及再入防热安全可靠的关键因素。针对简单旋成体气动外形、半弹道式再入控制、烧蚀防热类返回航天器,综述了返回地球过程中变化的空气流域特性、航天器周围的气体绕流环境、空气与航天器作用产生的动力学与热效应等。系统地给出了该类航天器的再入气动特性参数与飞行性能的共性规律,包括:气动阻力与再入减速、气动升力与再入轨迹控制、配平攻角与飞行稳定性、气动加热与防热,以及再入过程中不同气动特性航天器、气象条件变化等对再入飞行性能的影响规律。为航天器开展返回飞行过程的跨流域气动性能工程研制提供设计参考。     

Transitional wave configurations between Type III and Type IV oblique-shock/bow-shock interactions

The interactions of oblique/bow shock waves are the key flow phenomena restricting the design and aerothermodynamic performance of high-speed vehicles. Type III and Type IV Shock/Shock Interactions(SSIs) have been extensively investigated, as such interactions can induce abnormal aerodynamic heating problems in hypersonic flows of vehicles. The transition process between these two distinct types of shock/shock interactions remains unclear. In the present study, a subclass of shock/shock interaction configuration is revealed and defined as Type IIIa. Type IIIa interaction can induce much more severe aerodynamic heating than a Type IV interaction which was ever reported to be the most serious in literature. The intense aerodynamic heating observed in this configuration highlights a new design point for the thermal protection system of hypersonic vehicles. A secondary Mach interaction between shock waves in the supersonic flow path of a Type III configuration is demonstrated to be the primary mechanism for such a subclass of shock/shock interaction configuration.     

Cubesat solar sail 3-axis stabilization using panel translation and magnetic torquing

A Cubesat mission with a deployable solar sail of 5 meter by 5 meter in a sun-synchronous low earth orbit is analyzed to demonstrate solar sailing using active attitude stabilization of the sail panel. The sail panel is kept parallel to the orbital plane to minimize aerodynamic drag and optimize the orbit inclination change caused by the solar pressure force normal to the sail surface. A practical control system is proposed, using a combination of small 2-dimensional translation of the sail panel and 3-axis magnetic torquing which is proved to have sufficient control authority over the gravity gradient and aerodynamic disturbance torques. Miniaturized CMOS cameras are used as sun and nadir vector attitude sensors and a robust Kalman filter is used to accurately estimate the inertially referenced body rates from only the sun vector measurements. It is shown through realistic simulation tests that the proposed control system, although inactive during eclipse, will be able to stabilize the sail panel to within ±2° in all attitude angles during the sunlit part of the orbit, when solar sailing is possible.     

空间飞行器综合定轨与参数分析软件COMPASS的研发——需求分析

对空间飞行器精密定轨软件COMPASS的开发作了详细的需求分析,包括软件功能、定轨模式、可分析的数据类型、参数解算、运行环境等,以便为COMPASS软件系统的设计提供依据。