航天飞机驮机空气动力学——航天飞机的空气动力学问题之七

根据美国航天飞机驮机空气动力学的研究结果,本文简要地介绍了轨道器/驮机空气动力学的高阶面元法理论计算,风洞模型试验,仿真和飞行试验。风洞模型试验是建立轨道器/驮机气动数据库的基础,仿真是确定分离程序和训练驾驶员的有效方法,飞行试验是轨道器/驮机的驮运、分离和进场着陆气动性能的最后验证。研究试验表明:飞行试验与风洞试验和仿真结果符合得较好。合理地改装现有大型运输机,可以较好地完成航天飞机轨道器的驮运和进场着陆试验任务。     

航天飞机的随控布局研究——航天飞机空气动力学问题之六

从60年代后期以来,在飞行器研制中逐渐采用先进的主动控制技术。对于航天飞机,随控布局的主要任务是放宽静稳定性,对静不稳定的航天飞机实现飞行控制,并使共具有良好的飞行品质和性能。航天飞机随控布局设计的主要参数是高超音速下的配平能力、重心后限和操纵面的气动加热。在空气动力学上,主要靠机翼机身的合理布局设计。最佳的随控布局设计比常规设计飞行器的有效载荷有显著的增加,飞行器的净重约可减少10%。     

航天飞机的空气动力学问题

本系列专题报告,以美国的第一代航天飞机(Space Shuttle)作参考,阐述了航天飞机空气动力学的若干主要问题,诸如:真实气体效应、粘性干扰效应、低密度效应,气动热防护和风洞试验技术等。     

航天飞机的低密度效应——(航天飞机空气动力学问题之三)

美国第一代航天飞机(Shuttle-I)在177千米高度以上飞行时处于自由分子流区(克努曾数 Kn≥10),在83～177千米的高度范围内处于过渡流区(0.001≤Kn≤10)。传统的连续介质空气动力学已不适用了,而要用非连续的稀簿空气动力学。本文简要介绍美国航天飞机研制过程中采用过的蒙特卡罗直接模拟法、粘性激波层法和洛克希德工程计算等理论计算方法。并与风洞试验和飞行试验结果进行了比较和分析。研究结果表明:低密度效应对航天飞机的气动加热、阻力系数和升阻比等气动性能有很大的影响;理论计算与飞行试验的差别随 K_n 数的增大而增大,其差別的原因尚没有确切和满意的解答。对过渡流,目前无论是理论计算还是风洞实验都存在着较大困难。因此必须加强对航天飞机低密度效应的理论和实验研究。     

航天飞机再入大气层最优轨迹

本文研究航天飞机再人大气层最小气动加热的最优轨迹。文中考虑了地球自转的影响和气动加热、动压、过载对再入飞行的限制。在地心非惯性坐标系中,采用球面速度坐标系建立运动方程。再入点的运动参数是在惯性计算系中给出的,故地心非惯性系的再入参数是经过惯性计算系到非惯性计算系的转换而获得的。文中最优轨迹的性能指标采用气动加热量的最小值,最优轨迹的求解方法采用非线性规划法,即将控制变量参数化,把泛函的极值问题转变成函数的极值问题进行求解,因而可以利用函数优化方法的标准程序进行计算。本文在性能指标中引进了罚函数,并采用Powell方法求解无约束的最优化问题。文中进一步用运动参数描述控制变量,这不但便于初值的选择,而且还便于考虑一些参数变化规律的要求。本方法使用方便,计算结果稳定可靠。     

航天飞机高超音速大攻角气动力工程估算方法

本文给出了航天飞机轨道器在无粘、无侧滑和不偏舵情况下再入飞行高超音速大攻角气动力计算方法。对复杂的航天飞机外形,本文提出用三角形有限表面面元法来逼近,克服了已有方法中采用平面梯形面元逼近后近似外形有裂缝,有台阶等不连续的缺陷,其结果与实验结果吻合较好,从而证明用三角形表面面元法更为合理。     

航天飞机在再入段的亚音速空气动力特性的一种有效算法

本文采用吸力比拟原理,结合基本解的数值计算方法,用来计算航天飞机机翼从小迎角到大迎角(a=0°～30°)的亚音速纵向气动特性;而对零升阻力和机身气动特性,则用工程估算方法计算。由于目前的航天飞机,一般为下单翼的复杂外形翼-身组合体,根据文[9]的原理,可忽略翼-身干扰对纵向气动特性的影响。 本文导得可以计及涡效应的任意平面形状边条机翼的亚音速气动特性的计算公式,亦可计算尖梢机翼的展向升力分布。公式中所需的位流系数可采用涡格面元法进行数值计算来获得,压缩性效应则通过位流系数来计及。 本文计算了多种机翼和航天飞机的气动特性。与实验数据比较表明,本方法具有方法简便、计算快速和计算结果具有设计精度的优点,是计算航天飞机亚音速气动特性的一种有效方法。可供航天飞机初步设计使用,亦可作为航天飞机气动优化设计系统中的子系统。经过适当推导,本方法可推广应用于亚音速前缘的超音速情况。     

航天飞机的粘性干扰效应——航天飞机的空气动力学问题之二

航天飞机在55公里高度以上飞行时,处于高马赫数,中、低雷诺数的粘性干扰区(粘性干扰参数(?)=0.005～O.08)。传统的无粘流/边界层修正法(3DV)已不适于计算无粘/有粘强干扰的情况,而要采用全粘性激波层的 PNS 法。本文简要的介绍了美国航天飞机研制过程中采用的3DV 和 PNS 的计算方法,对航天飞机简化外形和钝锥体的粘性干扰效应进行了分析和讨论。研究结果表明,PNS 法是解决航天飞机高超声速粘性干扰效应的较为有效的数值模拟方法。     

航天飞机风洞数据库——航天飞机空气动力学问题之八

本文讨论了风洞数据库的由来和基本概念以及在航天飞机研制中的应用。简述了 CHRYSLER 公司的 DATAMAN 管理系统和兰利中心 RIM 管理系统的发展。最后介绍了数据库设计的基本步骤。     

航天飞机及火箭的羽流试验技术

火箭发动机排气羽流的影响是研制火箭运载器的一个关键问题。本文综述了羽流对航天飞机和火箭底部流动、底部加热的影响。重点综述了冷气试验方法,并指出了冷气模拟试验的相似准则的参数组合关系式。冷气试验费用不大,试验周期短,是确定底部压力的最佳方法,试验重点在跨声速和低超声速飞行区域。本文对热气试验方法也作了介绍。热气试验可模拟羽流的真实热力学特性,但耗费大,技术复杂。火箭发动机羽流模拟应由风洞试验来确定。本文简述了进行羽流模拟试验的地面试验设备。     

飞行器气动加热环境与结构响应耦合的热结构试验方法

阐述了将结构热试验和气动加热计算相结合,实现气动热分析与热试验相耦合的试验控制方法。为飞行器的气动加热和结构热响应耦合分析提供了一个解决思路,同时为结构热试验热载荷条件的制定提出了新的方法,对应用复杂防热结构的飞行器的气动热分析和结构热试验具有重要的意义。     

航天飞机用的遥测传感器

航天飞机遥测传感器的基本要求是稳定性好、高度可靠、小型化。本文介绍了航天飞机用的遥测传感器的种类与特点,在总结国外遥测传感器选用情况的基础上提出了作者对于我国航天飞机遥测传感器未来发展的设想。     

辐射加热方法在结构热试验中的作用与地位

高超声速飞行器经受着严酷的气动加热环境,为验证飞行器整体设计、考核热结构耐热性能,需要开展大量的结构热试验研究,如辐射加热、气流加热方法等。其中辐射加热方法具有加热时间长、加热能力强、多温区控制等特点,是有效的结构全尺寸热试验方法;气流加热方法受试验空间、加热时间等限制,在特定问题上发挥着重要作用。给出了高超声速飞行器防热区和高温区的热结构设计理念,总结了国外结构热试验方法的发展和应用,指出用辐射加热模拟气动热环境仍将是新型飞行器热结构优化设计和性能考核的重要手段。     

飞行器燃油系统气动热试验与数值分析研究

气动加热与结构热传递耦合问题在航空航天领域非常重要。指出耦合性在试验与分析过程中的必要性。针对存在的耦合性,阐述了将结构热试验和气动加热计算相结合,提出模拟全弹道的全方程热流密度控制方法,实现气动热分析与热试验相耦合的试验控制。为飞行器燃油系统的气动加热和结构热响应耦合分析提供了一个解决思路,同时为结构热试验热载荷条件的制定提出了新的方法,对应用复杂防热结构的飞行器的气动热分析和结构热试验具有重要的意义。数值仿真结果与试验结果进行了对比,两者吻合得较好。     

轨道器的流态观察试验

介绍在CARDCFL—23，FL－24，FL—31以及水洞中典型的航天飞机轨道器模型流态观察的试验结果，并对结果作了初步分析。     

气动热环境试验及测量技术研究进展

地面风洞试验和飞行试验是研究高超声速飞行器气动加热的主要手段。针对临近空间复杂气动外形高超声速飞行器气动热环境研究的需要,分析探讨了国内气动热试验及测量技术的发展情况。分析了临近空间高超声速飞行器外形特征以及飞行剖面、边界层转捩和气动热环境特性等,进而分析了气动热环境风洞试验模拟理论,介绍了适用于气动热研究的风洞试验设备及其模拟能力,重点讨论了适用于不同类型风洞的热流测量技术发展近况、存在的问题和发展趋势;在以长时间、高热流、高壁温为主要特征的高超声速飞行试验中,无法应用风洞环境下的热流测量技术,因而介绍了目前飞行试验中采用的气动热测量技术,讨论了根据结构温度反辨识表面热流存在的问题,以及热流传感器表面的"冷点效应"、表面催化特性等因素对飞行试验气动热测量的影响,提出了后续工作中应重点研究和解决的临近空间飞行器气动热环境测量技术问题。     

空天飞机气动热的工程预测方法

首先简要地分析了空天飞机在上升段和再入段遇到的严峻的热环境,并指出:为了进行空天飞机的概念研究和初步设计,必须发展气动热的工程预测方法。接着介绍了国外可用于预测空天飞机气动热的工程方法,其中包括预测迎风面中心线、背风面中心线和横向分布的气动加热的方法,重点介绍了 NASA Langley 研究中心的轴对称比拟三维边界层(AA 3DB L)程序和它的结果。同时,还讨论了空天飞机气动热预测的一个特殊问题即激波干扰加热,着重介绍了机身头部的弓形激波和进气道外罩唇部激波的相互干扰以及机身头部的弓形激波和机翼前缘激波间的相互干扰,对后面这种情况,还介绍了工程预测方法。     

航天飞机防热瓦缝隙气动加热的讨论

本文根据航天飞机防热瓦缝隙流动的特点,从二维定常不可压缩层流的 N-S方程出发,提出了一个简化流动模型,即缝隙的二维流动可近似当作两个准一维沟槽流动的线性迭加,由此给出了缝隙中的热流率与压力、压力梯度和缝隙宽度的变化规律,并利用现有的实验结果作了验证。     

模型自由飞试验——研究航天飞机天气侵蚀问题的必要途径

本文阐明了研究航天飞机天气侵蚀效应的必要性,分析了天气侵蚀试验的模拟条件,论述了模型自由飞模拟试验在航天飞机和其它再入飞行器的天气侵蚀问题研究中的作用,最后对我国开展航天飞机天气侵蚀研究之技术途径提出了一些看法。     

气动加热与结构温度场耦合分析平台研发技术

介绍了气动加热采用工程算法条件下,分别基于自研结构温度场有限元分析软件ASTSA和商用软件MSC／NASTRAN,气动加热与结构温度场耦合分析平台的研发技术。该耦合分析平台适用于Ma〈6的超音速飞行器典型热影响区的气动,热耦合分析,其可靠性和精度通过了工程实例考证。在3〈Ma〈6的超音速飞行器概念设计阶段,利用该平台可以提高结构温度场预估精度,缩短飞行器设计周期。