激波风洞两级入轨飞行器纵向级间分离试验技术

高超声速多体分离问题是航天多体飞行器研发中的关键技术问题，基于分离过程中高速流动的复杂性，对高速多体分离的风洞试验研究极具挑战性，特别是激波风洞分离试验。激波风洞具有高速、高焓试验气流特点，更准确评估高超声速分离气动力/热特性，但是其有效试验时间短（ms量级），进行主动式动态级间分离试验极其困难。提出一种应用于激波风洞主动式多体分离试验的高速气动发射系统（HPELS），使得模型在短试验时间内完成主动分离测试，详细介绍了HPELS延迟时间、模型分离时间等精确的时间标定及时序控制方法。针对分离过程中模型的运动轨迹及气动力参数的高性能评估，发展了基于纹影图像的非接触式分离运动轨迹捕获及气动力参数测量技术。两级入轨（TSTO）飞行器的安全级间分离是典型的高速多体分离问题，设计了并联式TSTO飞行器并针对作者提出的纵向分离方案，在JF-12复现飞行条件激波风洞验证了高速动态多体分离试验技术应用的有效性，同时首次在激波风洞对TSTO纵向分离方案进行了原理性验证。初步对比结果显示，试验结果与数值计算结果具有良好的一致性。     

TSTO级间分离气动特性数值仿真分析

两级入轨（TSTO）重复使用飞行器并联级间分离是一二级飞行器设计必须考虑的关键因素。采用国家数值风洞工程通用CFD软件NNW-FlowStar，基于各向异性非结构混合网格及重叠网格技术，研究了TSTO在侧滑角下的并联级间分离过程。软件通过自主改进的Roe熵修正方法、节点高斯梯度算法实现高超声速流场的精细模拟，运用“物面相交”准则实现多套网格间的并行挖洞。采用双时间步求解非定常分离过程，内迭代计算采用LU-SGS方法。文中首先采用WPFS投放标模验证了软件在常规分离投放方面的数值模拟精度；然后模拟获得TSTO组合体定常气动特性，分析了不同攻角下一二级的气动特性以及可能的安全分离状态；最后数值模拟了TSTO在负攻角、正侧滑角下的并联级间分离过程，与对应的CTS试验结果比较，两级质心位移的计算值和实验值随时间变化具有很好的一致性，偏航角及俯仰角在变化规律和量值上比较吻合，表明软件具备升力体并联级间分离类问题的数值模拟能力。     

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。     

FL-23风洞级间分离与网格测力试验系统

近年来,随着飞行器研制不断高速化发展,一些型号要求在超声速条件下实现级间分离与网格测力试验。为了实现超声速飞行器级间分离与网格测力风洞试验,利用FL-23跨超声速风洞独有的投放机构,通过对上、下支撑及其控制系统进行改造升级,实现了X、Y两个方向的复合运动,建立了马赫数0.3～4.0的级间分离系统。经过多期型号试验验证,该系统对模型定位控制精度达到要求,满足飞行器高马赫数下开展级间分离与网格测力风洞试验需求。     

级间分离的流场及热流分析研究

对多级火箭级间热分离过程中，一级、二级发动机的分离流场进行了计算，并分析了分离机构-柱形爆炸器表面的热流分布情况；应用分区非结构化网格，进行了二维可压缩湍流流场的数值模拟，在数值计算中应用了k-ε湍流模型，并考虑壁面热辐射的辐射传热模型；研究了分离过程中，级间区域的流场特性以及同柱形爆炸器的传热情况，数值结果将有助于级间分离装置的热防护结构设计。     

多级火箭级间分离流动特性的数值模拟

针对某型号研制提出一种级间分离设计方案，从三维薄层近似N－S方程出发，对多种火箭级间分离发动机喷流与超声速外流形成的复杂流动进行了数值模拟，比较了栅栏构架和排焰孔两种设计方案间段流场，从流动形态分析三维排焰孔模型更为稳定，研究给出了不同分离距离下火箭的轴向力系数，发现在较近分离距离内，后体受到的作用力随距离不是单调减小，与分离喷流参数有密切关系，计算结果可作为分离段设计的参考。     

火箭级间冷分离过程后期阶段的耦合数值模拟

多级火箭二三级级间冷分离过程后期阶段的飞行遥测数据表明,在三级火箭后封头中部存在约50kW/m2的热流峰值。由于遥测数据有限,为了弄清燃气在级间流动的机理和热流产生的原因及影响,采用Chi-mera/Overset方法并结合N-S方程和刚体动力学方程,以流动和刚体动力学耦合计算的方式对多级火箭二三级级间冷分离过程的后期阶段进行了数值模拟,研究了轴对称和三级喷管有偏转两个工况的分离特性。结果表明,轴对称工况分离过程的流场存在剧烈的振荡,而三级喷管有偏转工况分离过程的流动比较平稳,对这两种流动的成因进行了分析,并讨论了这两个工况下三级后封头附近的热环境的区别。计算结果可为级间分离段的设计提供参考。     

固体弹道导弹级间热分离特性研究

根据某型导弹级间分离的要求,建立了级间热分离模型,研究了不同条件下固体导弹级间热分离特性,并用MATLAB软件进行模拟运算,给出了固体导弹级间热分离的主要影响因素,为导弹总体优化设计提供了有力的支持。     

一种用于TSTO级间分离CFD计算的网格动态优化技术

两级入轨空天运输系统具有难度较低和经济性好的优点，级间分离是该运输系统设计的一项关键技术。相比前后串联级间分离，两级入轨上下两级间存在严重的激波相互干扰，直接影响分离物体的气动力矩。为了更好地模拟分离过程中两级之间的运动激波多次反射问题，本文结合非结构混合网格分布优化技术和压力比值激波识别技术，建立了用于级间分离运动过程的并行网格动态优化技术。基于计算流体力学软件NNW-FlowStar，完成了两级入轨运输系统并联分离过程的数值模拟。结果表明，采用网格动态优化技术，可实现级间复杂激波的精细捕捉，更精准地获得了强干扰下飞行器的气动特性，显著提高了并联分离过程中运动轨迹和姿态的预测精度。     

串联布局飞行器级间冷分离气动特性研究

针对串联布局飞行器级间采用冷分离模式时的气动问题进行了风洞试验,研究典型亚声速、超声速下级间夹角为零时,两级气动特性随级间距离以及迎角的变化规律。结果表明,在所研究的级间距离范围内,两级相互干扰未被隔绝,两级的轴向力系数变化规律与马赫数、级间距离和迎角有关;二级法向力系数犆犖基本不受级间距离影响,而在迎角较大的情况下一级犆犖会随级间距离的增大而增大。     

Derivation and validation of a similarity law for free-flight wind tunnel tests of parallel stage separation

Aiming at the safety problem of the stage separation of parallel reusable high-speed air vehicles, this paper studies the unsteady test method and focuses on deriving a similarity law of parallel stage separation free-flight wind tunnel tests. The new similarity law considers the influences of aerodynamic force and gravity on the motions of the two stages, as well as the influence of aerodynamic interference between the two stages on each other’s motion. From the perspective of multi-angle physical equations, the conditions to ensure that the two-stage separation trajectory of a wind tunnel test is similar to that of a real air vehicle are derived innovatively, so as to ensure the authenticity and credibility of wind tunnel test results. The similarity law is verified by an HIFiRE-5 air vehicle, and the separation trajectories of wind tunnel tests and the real air vehicle are obtained by numerical simulation. The research shows that the similarity law derived in this paper can ensure that wind tunnel free-flight tests have the ability to predict the two-stage separation characteristics of real parallel vehicles. By analyzing the separation trajectory curve of the typical state, it is found that the new method can ensure that the trajectory error of a wind tunnel test does not exceed 1%, which indicates that this method is credible. The establishment of the new method lays the foundation for subsequent wind tunnel tests and provides support for research on the safety of the stage separation of parallel reusable air vehicles.     

一种飞行器投放分离气动力辨识修正方法

空中投放发射的大翼面飞行器的分离轨迹与姿态受载机干扰流场影响更加明显,对分离时干扰气动数据库的准确性提出了更高要求。针对投放分离干扰气动力特点,提出了一种简化的差量气动力模型,并给出了一套飞行数据处理与参数预估计的方法。分离段飞行数据的辨识结果与六自由度飞行动力学仿真结果说明了提出的差量气动模型与相关数据处理方法的有效性。用辨识结果对气动数据库进行修正提高了数据库的准确度,可提高分离安全飞行仿真分析的精度。     

航迹规划中数字地图的设计与应用

针对低空突防中地形因素和敌方威胁的潜在影响,研究了在安全保障前提下,飞行最小危险曲面（ＳＯＭＲ）及该曲面拟合与数字地图生成的方法,并通过坐标变换将飞行器的运动方程变换到该曲面上,从而将地形和威胁因素引入飞行器运动方程,运用极小值原理,提出了飞行时间－地形遮蔽最优ＴＦ／ＴＡ＾２轨迹性能指标。给出了地形数据库加载模型,并完成了将高程数据库加载到航迹规划中的仿真。仿真结果表明,该算法不仅能紧密跟随地形,     

高机动导弹气动／运动／控制耦合的风洞虚拟飞行试验技术

解决先进飞行器大迎角高机动飞行时的气动／运动非线性耦合问题,需要发展基于非线性理论的风洞试验技术,即风洞虚拟飞行试验技术。该试验能够实现较为逼真的模拟飞行器机动运动过程,气动和运动参数的实时同步测量,以及飞行控制律的集成验证与优化,从而达到探索气动／运动耦合特性和机理的目的。本文介绍了风洞虚拟飞行试验的模拟方法、关键技术及其解决措施,并针对典型导弹模型开展了虚拟飞行验证试验。试验结果表明：目前已经初步具备适用于导弹模型跨声速气动／运动／飞行控制一体化研究的风洞虚拟飞行试验能力。     

基于闭环控制的带翼导弹虚拟飞行数值模拟

通过耦合求解非定常Navier-Stokes方程、刚体六自由度（6DOF）运动方程及舵偏控制律,发展了一套虚拟飞行数值模拟平台,对基本带翼导弹外形进行了虚拟飞行数值模拟研究。流场求解采用基于结构网格的有限体积法,时间推进采用双时间步法,使用刚性重叠动网格技术模拟舵与弹身的相对运动,采用四阶Runger-Kutta方法求解运动方程组,舵偏控制律采用基于比例-积分-微分（PID）的反馈控制。模拟结果表明：发展的虚拟飞行数值模拟平台能够处理包含复杂运动边界的非定常运动问题,可以为非定常气动力建模提供数据、预示飞行器稳定性及检验飞行控制律,该模拟平台具备一定的工程应用价值。     

Water takeoff performance calculation method for amphibious aircraft based on digital virtual flight

Owing to the strong coupling among the hydrodynamic forces, aerodynamic forces and motion of amphibious aircraft during the water takeoff process, the water takeoff performance is difficult to calculate accurately and quickly. Based on an analysis of the dynamics and kinematics characteristics of amphibious aircraft and the hydrodynamic theory of high-speed planing hulls, a suitable mathematical model is established for calculating the hydrodynamics of aircraft during water takeoff. A pilot model is designed to illustrate how pilots are affected by the lack of visual reference and the necessity to simultaneously control the pitch angle, flight velocity and other parameters during water takeoff. Combined with the aerodynamic model, engine thrust model and aircraft motion model, a digital virtual flight simulation model is developed for amphibious aircraft during water takeoff, and a calculation method for the water takeoff performance of amphibious aircraft is proposed based on digital virtual flight. Typical performance indicators, such as the liftoff time and liftoff distance, can be obtained via digital virtual flight calculations. A comparison of the measured flight test data and the calculation results shows that the calculation error is less than 10%, which verifies the correctness and accuracy of the proposed method. This method can be used for the preliminary evaluation of airworthiness compliance of amphibious aircraft design schemes, and the relevant calculation results can also provide a theoretical reference for the formulation of flight test plans for airworthiness certification.     

某运载火箭级间分离喷流干扰风洞试验研究

对某运载火箭级间分离特性进行了风洞试验研究,内流采用冷喷流模拟技术,获得了助推器与芯级同时分离和助推器先分离时,两级在有、无喷流、同轴变迎角情况下的气动力系数,试验结果表明,助推器与芯级同时分离和助推器先分离两种情况下,一、二级箭体各自的气动力系数变化很小,这说明助推器与芯级同时分离的方案是可行的。风洞试验研究结果为运载火箭级间分离方案设计和火箭控制系统参数设计提供了依据。     

飞行仿真系统的建模与验证

主要介绍了模型的研究领域和定义，并以飞行模拟器飞行系数数学模型为例，说明了实际－理论模型－计算机模型的建立过程，以及飞行系统的建模、编程、数据的选取及预处理等对飞行模拟器逼真度的影响。     

基于CADET的弹道交会误差变化规律分析

运载器弹道与预测命中点之间的交会误差是拦截器分离点误差引起的。分离点的位置误差、速度误差对于弹道交会误差的影响,既取决于其本身的大小,也取决于分离点到达预测命中点的时间。依据分离点误差推算弹道飞行的误差变化规律,是进行运载器制导控制系统分析与误差分配的前提条件。本文通过采用协方差分析描述函数法,对弹道误差变化规律进行了有效分析。仿真结果证明了这种方法的有效性。     

多体分离风洞自由飞试验

根据作者多年从事多体分离风洞自由飞试验的经验,对多体分离风洞自由飞试验技术的原理及特点、相似准则、试验装置等技术要点作了介绍,并根据技术特点及应用领域的不同对其进行了分类,对不同类型多体分离风洞自由飞试验的特点作了详细描述,并给出了不同类型实例的试验图像及分离体飞行轨迹曲线。