高超声速飞行器翼面前缘半主动金属热防护系统设计与分析

针对高超声速飞行器翼面前缘的热防护,文章设计了一种基于热管的半主动金属热防护系统。设计中使用工程估算方法预测了翼面前缘的气动热环境,并采用有限元法对高温合金翼面前缘结构进行了热固耦合分析和强度考核。分析结果表明:在马赫数为5~8的飞行状态下,热管可以有效地降低高超声速飞行器翼面前缘峰值温度达23%~31%,且呈现飞行马赫数越高则峰值温度降低幅度越大的趋势;同时热管还可以降低翼面前缘结构温差达90%以上,从而极大地减小由于温差而导致的热应变和内部应力。因此,将基于热管的半主动金属热防护系统应用于高超声速飞行器翼面前缘可以真正实现结构防热一体化,有助于获得较好的防热和减重效果。     

高超声速飞行器热防护结构参数优化及对比分析

高超声速飞行器对结构性能、热防护性能以及结构重量有很高的要求。为了获得最小的结构重量,文章从热防护的角度进行了优化分析:分别选择铝合金和先进复合材料作为蒙皮,在不同的热载荷条件下,对多种热防护结构（TPS）建立一维传热模型,并进行了结构尺寸优化,得到了单位面积TPS的最小重量;分析飞行器再入过程中的温度载荷、再入时间以及蒙皮材料可承受的最高温度对热防护结构最小重量的影响。ANSYS仿真分析结果表明:温度对TPS的单位面积最小重量有显著影响,LI900刚性陶瓷隔热瓦和先进金属蜂窝夹层防热结构有重量优势;采用复合材料蒙皮的TPS可使重量大幅减轻;飞行器再入时间和再入初始温度对刚性陶瓷隔热瓦重量的影响大于对金属盖板式隔热结构。     

高超声速飞行器起飞质量的解析估算

基于火箭助推的发射方式,推导出弹道式飞行器、高超声速助推-滑翔飞行器及高超声速助推-巡航飞行器的起飞质量与航程、燃料比冲和载荷之间的解析关系,为总体设计初期快速估算飞行器起飞质量提供了方法。基于此,比较了3种飞行器的起飞质量载荷比。结果表明,助推-巡航飞行器性能最优,助推-滑翔飞行器性能居中,弹道式飞行器的性能最差。     

高超声速飞行器主动气膜冷却热防护数值仿真研究

为研究高超声速飞行器头部全覆盖保护情况下的气动热分布特征,文章提出一种微孔射流的主动气膜热防护方案,并对射流微孔分布进行优化;通过数值求解N-S方程,得到高超声速飞行器头部的驻点压力及表面、附近温度分布。研究结果表明,在主动气膜冷却热防护下,高超声速飞行器壁面温度可以降到1000 K以下。该方案可为未来高超声速飞行器的外壳设计提供参考。     

吸气式高超声速飞行器鲁棒反演控制器设计

针对吸气式高超声速飞行器气动／推进／结构弹性耦合控制问题,提出了鲁棒反演控制器设计方法。采用反演和动态逆方法设计虚拟控制量和实际控制量,通过引入一阶低通滤波器来获取虚拟控制量的导数,解决了虚拟控制量求导复杂问题;为了增强控制器的鲁棒性,采用充分光滑投影算子对模型非匹配不确定项进行估计和补偿,同时避免了可能出现的参数漂移问题。仿真结果表明,该控制器对模型气动参数拟合误差、攻角和升降舵偏角摄动、气动弹性影响具有鲁棒性,对速度指令和高度指令具有很好的跟踪效果。     

火星进入器气动热环境模拟及热防护试验综述

文章简述典型火星进入器所面临的气动热环境,阐明在火星大气CO₂介质下进行试验的重大需求以及建立火星热环境模拟及热防护试验方法的必要性;并对国内外进行的相关火星进入器热防护工程性和研究性试验进行综述,指出研究空气和CO₂介质下的电弧加热器运行特性将对火星热防护试验提供必要的支撑,CO₂介质下防热材料催化特性研究和先进测试技术（如TALIF、OES、HSC等）是未来发展的方向。     

Optimizing electrostatic radiation shielding for manned space vehicles

The shield has three concentric grids having a net charge of zero. The voltage across the outer pair is chosen to repel electrons; and that across the inner pair is chosen to repel nucleons. The negative grid is coated to absorb ultraviolet light to prevent photoemission, and secondary emission is minimized by a grid/thin foil combination. Voltage is maximized and mass minimized by setting the ratio of the negative to the inner positive electrode radii to ≥ 2. The outer grid pair forms a space truss with rigid geodesic grid, from which catenary tensile members are suspended. For docking there is passage directly through the sparse gridwork of larger structures, or through a charge shifting vestibule on smaller. While efficiency increases indefinitely with size, favorable sizes for given voltages are indicated. Large modular habitats and small powered transport vehicles are protected with efficiencies several orders of magnitude over mass shielding against charged particle cosmic radiation.     

电子系统的电磁脉冲效应及防护

电磁脉冲对电子系统具有很强的干扰和破坏作用.为研究电磁脉冲对电子系统的影响,进行了静电放电电磁脉冲对单片机系统的辐照效应实验.实验表明,单片机系统在静电放电电磁脉冲作用下,会出现多种故障现象.在效应实验基础上,研究了单片机加固技术.     

基于滑模微分器的吸气式高超声速飞行器鲁棒反演控制

针对吸气式高超声速飞行器气动\推进\结构弹性耦合运动学模型,提出了一种基于滑模微分器的鲁棒反演控制器设计方法。分别采用反演和动态逆方法设计虚拟控制量和实际控制量。引入滑模微分器来精确估计虚拟控制量的导数,避免了传统反演控制方法"微分项膨胀"问题。基于滑模微分器,设计了一种非线性干扰观测器,可对模型不确定项进行精确估计和补偿,从而增强了控制器的鲁棒性。仿真结果表明,该控制器对模型不确定性和气动弹性影响具有较强的鲁棒性,且能实现对速度指令和高度指令很好的跟踪效果。     

基于状态重构的吸气式高超声速飞行器鲁棒反演控制

针对吸气式高超声速飞行器参数不确定弹性体模型,仅考虑速度、高度和俯仰角速度可测的情况,提出了一种基于状态重构的鲁棒反演控制器设计方法。首先,将被控对象模型表示为严格反馈形式,分别采用动态逆和反演设计实际控制律和虚拟控制律;其次,引入反正切跟踪微分器来简化虚拟控制律求导运算,并用于对弹道角和攻角进行状态重构;最后,为了保证反演控制器的鲁棒性,基于非线性-线性跟踪微分器,设计了一种新型非线性干扰观测器,可实现对模型不确定项的精确估计和补偿。仿真结果表明,所提策略取得了较高的状态重构精度,控制器能够克服模型不确定项的影响,且能保证速度和高度对参考输入的稳定跟踪。     

带鸭翼的弹性高超声速飞行器非线性控制

高超声速飞行器纵向静不稳定、非最小相位和突出的弹性效应等特性给飞行器控制系统设计带来严峻挑战。针对该问题,文中采取鸭翼作为附加俯仰控制舵面与升降舵进行联动控制的策略,以改善高超声速飞行器的非最小相位特性和严重的弹性效应,从而达到提高控制性能的目的。首先,给出了考虑弹性模态的高超声速飞行器动力学模型;其次,研究了鸭翼对飞行器非最小相位特性以及弹性模态响应的影响,并给出合适的鸭翼布局位置和鸭翼/升降舵联动增益参数;最后,采用基于反馈线性化方法和LQR理论的非线性控制器对弹性飞行器进行控制,对比分析了鸭翼联动控制对闭环控制性能的改善作用。研究结果表明,合理的鸭翼配置可以缓解系统的非最小相位特性带来的不利影响,同时避免了控制输入对特定弹性模态的激励,从而达到提高弹性高超声速飞行器控制性能的目的。     

机身头部构型对高超声速飞行器气动-推进性能的影响

采用二维耦合隐式欧拉方程和标准k-ε湍流模型,对高超声速飞行器内外流场进行了数值仿真研究.离散采用二阶迎风格式,在考虑粘性影响的前提下,对飞行器机身头部进行了改型研究.分析了机身头部长细比对高超声速飞行器分别处于进气道关闭、发动机通流以及发动机点火3种不同的工作状态下气动-推进性能的影响.结果表明,当飞行器机身头部长细比较大时,飞行器的气动.推进性能较好,为下一步的改进工作提供了参考.     

美国典型高超飞行器项目研发及启示

简要回顾了美国典型高超声速飞行器项目及其动力系统发展的历程,分析了其发展的态势、经验和教训。美国始终将高超声速技术作为航空航天事业发展的重要领域,高超声速飞行器和动力技术方案与国家战略及应用背景密切相关。为了降低技术风险,采取了多方案并行的研发模式。高超声速技术的研发应充分重视顶层设计,注重技术的继承性,发挥不同单位的技术优势,加强基础研究、关键技术攻关和实验设施建设。     

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.     

基于改进型伴随方法的高超声速飞行器上升段轨迹优化

建立了大气层内高超声速飞行器轨迹优化无因次数学模型,提出了一种求解最优两点边值问题的改进型伴随方法,并证明其算法收敛性,将其用于以固体火箭发动机为动力的高超声速飞行器稠密大气层内上升段轨迹优化问题中,在有弯曲力矩约束的前提下,间接得到一组平滑控制量.仿真结果表明,该方法快速、有效、可靠.     

金属热防护系统动力学建模研究

研究了金属热防护系统的动力学建模及简化计算方法.首先,给出了蜂窝结构面外的等效热导率、比热容、密度和弹性系数的表达式,并给出了算例验证;其次,建立了包括外层蜂窝、中间防热层、内层蜂窝、应变隔离层和承力结构的完整模型,研究了外表面受高温加热情况下结构的热力学响应及弯曲模态;最后,提出了带金属热防护系统的结构弯曲热模态计算...     

可重复使用航天器金属热防护系统的结构优化进展

根据美国开发的金属热防护系统,分析了用于可重复使用航天器的金属热防护系统的发展和现状,详细介绍了几代金属热防护系统的总体结构、高耐热蒙皮结构、绝热结构的不断演化和设计的优化进展。并且从结构装配方面,阐述了单个金属热防护系统结构、多个金属热防护系统结构以及金属热防护系统与刚性结构的装配设计的优化发展,为工程在结构设计和优化方面提供一定的参考依据。     

高超声速飞行器材料与结构气动热环境模拟方法及试验研究

文章介绍了自行研制的石英灯红外辐射式气动加热试验模拟系统以及使用该系统对高超声速飞行器材料与结构进行的高温热评价试验。本热试验系统可实现升温速率高至200 ℃/s的非线性热冲击过程的动态模拟;能够生成1.8 MW/m2热流密度的瞬态非线性热试验模拟环境;能将试验环境温度提高到1 500 ℃。在该热试验系统上完成了如下试验研究: 1）金属蜂窝板结构在高温950 ℃非线性热环境下的隔热性能评价试验和数值模拟;2）对SiC/SiC复合材料试件在1 300～1 500 ℃下的隔热性能评价试验;3）采用轴向非分段加热试验方式对圆柱型壳体结构（长2.1 m）内壁进行高温热环境试验。本试验系统在可控的非线性温升速率、高温高热流密度变化过程的动态模拟、热试验环境模拟的准确性以及非接触式全场高温变形测量等方面的研究成果达到了国际先进水平。