带控制舵双锥体气动力工程计算方法研究

利用“部件叠加法”发展了一套可以计算带控制舵机动飞行器在超声速和高超声速飞行时的纵横向气动力的工程计算方法。通过对干扰因子和等效攻角等概念的引入,并根据一些数值计算解和风洞试验结果,考虑了舵-体、体-舵间的气动干扰,从而可以计算飞行器组合体的气动力。     

身-翼-舵组合体高超声速变攻角颤振计算

推广和发展了原来只能用于二维升力面的当地流活塞理论,形成可解决包括弹身、弹翼、舵面、身-翼组合体、身-翼-舵组合体大攻角颤振计算的新方法。其中气动力计算采用CFD数值仿真与工程算法相结合的方法,求解结构运动方程时则利用状态空间法进行时域仿真。对某身-翼-舵组合体型号的计算表明该型号颤振动压随马赫数和攻角都呈现先增加后下降的变化趋势;在大马赫数和大攻角作用时,颤振动压有明显的下降;在较小攻角状态下颤振动压不降反升,与传统文献报导单独分枝颤振动压随攻角增大而单调下降不同,表明复杂外形组合体的气动弹性稳定性受到多种因素的共同作用,颤振特性更加复杂。计算结果表明弹体稳定性与飞行姿态相关,同时也证明了本文方法在高超声速复杂外形飞行器提气动弹性分析中的有效性。     

二次曲线截面弹身的气动设计及优化

非圆截面弹身外形飞行器是当前飞行器设计的一个重要发展方向。利用平面斜切圆锥获得的二次曲线可以构造圆、椭圆、抛物线及双曲线等典型的飞行器截面形状。采用模线设计方法并引入二次曲线形状控制参数，可以快速简便且精确地构造各种二次曲线弹身形状。发展了一套可以预估横截面为二次曲线的飞行器高超声速纵横向气动力工程计算方法。提出并建立了二次曲线截面弹身飞行器的优化设计模型，并利用相同的优化模型对圆截面、椭圆截面、双曲线截面及抛物线截面外形进行了优化。最后，对二次曲线截面弹身外形飞行器的气动特性进行了比较。     

一种适合无动力飞行器的复合制导律与仿真研究

针对无动力飞行器的"无动力"特点,提出了中制导与末制导相结合的复合制导方案.中制导通过寻优算法实时解算最优攻角使飞行器升阻比最大,以充分利用飞行器气动力增加前飞距离;末制导采用模糊变结构制导律,通过模糊控制技术,自动选取制导律切换项的强度,以达到削弱抖振的目的,从而有效解决有末端落角约束的精确末制导问题,使得无动力飞行器的射程和落角姿态都达到满意效果.以某型SINS/GPS制导炸弹为例进行了仿真计算,仿真结果表明该方法的合理性与正确性.同时,该制导方案简单、实用性强,有很好的工程应用前景.     

宽速域变构型高超声速飞行器气动特性研究

为解决高超声速飞行器在低/跨/超声速时气动特性不佳的问题,实现水平起降、跨速域飞行的目标,设计了一种宽速域变构型高超声速飞行器。采用数值计算的方法对飞行器的低速、超声速和高超声速气动特性和典型流场进行了研究分析,得到了升力系数、阻力系数和升阻比随攻角和马赫数的变化规律。结果表明,飞行器在低速和高超声速时的气动特性较好,最大升阻比分别为15.37和4.08,低速时连接翼提供了高升力,高超声速时乘波效果显著;超声速时,阻力系数和升阻比受马赫数影响较大,最大升阻比为4.8。数值计算的结果表明飞行器在全速域范围内气动特性较好,在保证高超声速良好气动特性的前提下,提升了低/跨/超声速性能。     

飞行器热气动布局优化设计研究

开展飞行器热气动布局设计方法研究,初步建立了高速飞行器概念设计阶段的热气动布局优化设计方法,通过参数化布局设计技术、气动力、热环境、弹道及优化技术等多学科性能分析及优化方法的综合应用,进行飞行器的热气动布局设计。对带控制舵钝双锥体机动飞行器的设计研究表明,考虑热环境的热气动布局可以在保证升阻比不变的条件下,降低驻点及第二锥身等特征点的轨道峰值热流达30%以上。
     

扭曲尾翼弹箭的马格努斯数值研究

为提升掠飞攻顶弹箭较高转速下的飞行稳定性,运用数值计算方法研究了弹体-扭曲尾翼组合体在飞行过程中的马格努斯效应气动机理,并应用标准尾翼弹(BFM)模型的实验数据对数值方法进行了验证。分别研究了带有平板尾翼和扭曲尾翼弹体模型的马格努斯力和力矩随攻角的变化规律,并针对弹体弹翼组合体产生马格努斯效应的机理深入分析。结果表明,扭曲尾翼可有效改善翼面的压力分布,并降低弹体对翼面马格努斯效应的干扰,在大攻角时其表现更胜一筹;弹体所受马格努斯力较大,主要集中在受到涡对称畸变的尾锥部;尾翼主要由于弹体干扰以及几何外形的影响马格努斯力集中在尾部,两者产生的马格努斯力矩数值相差不大,但方向相反。     

类X-37B飞行器气动力辅助异面变轨性能研究

X-37B是美国波音公司制造的一种可重复使用无人升力体飞行器,其具体任务一直备受关注和猜测。X-37B轨道试验飞行器曾多次进行轨道面内和面外机动。外界猜测X-37B可能降低轨道高度,进入有稀薄大气的高度,利用气动力大幅度横跨轨道飞行。文章分析了气动力辅助异面变轨的过程,其中在大气层内飞行段通过调整倾侧角实现侧向机动,从而改变轨道倾角。利用计算流体动力学软件计算其在高马赫数值下的气动力,为大气层内飞行动力学模型提供输入,推导气动力辅助异面变轨特征速度和推进剂消耗量的计算方法。针对不同再入角进行气动力辅助异面变轨仿真,计算轨道倾角改变量、特征速度和推进剂消耗量,并与冲量变轨比较。结果表明:类X-37B飞行器气动力辅助变轨在理论上具备一定改变轨道倾角的能力,但比冲量变轨消耗更多推进剂,变轨过程所需时间较长,相比于冲量变轨难度增大,工程实施可行性值得商榷。     

基于面元法的栅格翼翼身组合体高超声速气动特性研究

栅格翼是由外部框架和内部栅格布置形成的空间多升力面系统,其在高超声速状态具有突出优点。文中结合高超声速流动特点,考虑头部激波及弹身上洗干扰,基于面元法建立栅格翼翼身组合体高超声速气动特性计算模型,根据研究对象特点自动划分面元,进而完成典型栅格翼翼身组合体高超声速气动特性计算,并与数值计算结果进行对比分析。结果表明,在研究范围内,栅格翼翼身组合体高超声速气动特性面元法计算结果与数值计算结果吻合较好,前者较后者相对误差绝对值随攻角增加而增大。     

基于预处理方法的冲压式翼伞非定常气动特性数值研究

开展绕冲压式翼伞内外一体化流场的二维、不可压、非定常数值模拟。采用预处理的双时间步长方法 ,研究了冲压式翼伞在有攻角飞行时阻力、升力的瞬态特性和非定常旋涡脱落对翼伞气动力的影响问题。气动力特性的计算值与实验结果吻合较好 ,并观察到升力和阻力在大攻角飞行中的周期性变化规律。同时流场的瞬态特性证实上翼面旋涡的发展与运动是导致翼伞气动力脉动的主要原因。计算发现在前缘切口的冲压作用下 ,翼伞内部的压力较高 ,气流几乎保持滞止 ,这是维持翼伞充气外形的主要原因。     

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.     

基于平衡滑翔的升力再入攻角设计分析及应用

针对面对称中高升阻比飞行器再入攻角的优化问题,从工程角度系统分析了升力再入攻角优化问题的多种约束,基于平衡滑翔条件结合失速攻角、初始再入攻角和平衡滑翔攻角等,得到了再入段飞行的攻角设计空间,并给出了再入攻角剖面设计的具体可行方法。所提出的设计方案可用于快速选定满足各种过程约束的速度-攻角剖面;将该攻角设计方法应用于覆盖区优化问题,在继承已有方法的快速求解速度下,仿真结果及对比表明所规划的攻角剖面具有与直接法相似的最优性。     

吻切锥乘波机的构型设计与性能研究

以圆锥绕流流场为基础，给定进气道进口曲线运用吻切锥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，初步确定出了吻切锥乘波机构型和性能的变化规律及其决定性定型参数。计算结果表明：源流场圆锥半锥角、进气道进口高度是乘波机性能的决定性因素；在乘波机容积效率要求较高的设计要求下，粘性阻力占乘波机阻力的主导地位，其初设计过程也必须考虑粘性的影响。乘波机的生成过程和性能计算充分证明了乘波机作为高超声速飞行器和空天飞机外形的三项无与伦比的性能：较高的升阻比、由流场推算乘波机外形的反设计和一体化设计性能。     

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。     

带配平翼月球返回舱跳跃再入轨迹优化设计

为解决小升阻比月球返回舱再入大气层时安全性低、机动能力差的问题,提出采用一种带配平翼的中等升阻比返回舱做为月球采样返回舱,并对动压约束下轨迹优化问题进行了分析。首先介绍了一阶状态变量约束最优控制问题。然后采用庞德里亚金极大值原理以总吸热量最小为优化目标,对动压约束下再入轨道的初始再入段进行了优化设计,给出了升力系数的最优表达式。仿真研究表明,该方法能有效地降低返回舱再入过程中的动压。
     

飞船返回舱高超声速气动特性的风洞实验分析

在返回舱再入过程中,高超声速配平升阻比是一个十分重要的参数。文章介绍球冠倒锥外形返回舱模型在φ0．5m高超声速风洞中气动力的测量结果,给出Ma=4．94、5．96、7．96,相应的Re=3×10^6、6×10^6、2×10^6（以最大横截面直径为特征长度）气流条件下,攻角从2°～-27°变化范围内返回舱的气动力特性,讨论重心位置纵移与横偏变化对配平升阻比和纵向稳定性的影响。     

高超声速滑翔飞行器引入段弹道优化

高超声速飞行器弹道优化设计的目的足得到高超声速飞行的控制指令，从而得到方案弹道，针对其数学模型，寻找一个作为输入的攻角规律使得弹道最优。我们将此弹道问题转化成最优控制问题，通过极大值原理得到最优弹道的一阶必要条件。我们采用遗传算法求解了此两点边值问题。首先从次优化弹道得到攻角的变化规律，然后由从次优化弹道估计出的攻角范围推导出初始伴随变量的变化范围，再用遗传算法在此范崮内优化初始伴随变量得到了伞局最优弹道和相应的初始伴随变量。通过一个实例求得了满足热流约束的最大终端速度弹道，通过比较可知优于次优化弹道，从数值计算例子还可以看到遗传算法是求解两点边值问题的一种比较好的方法。     

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。     

考虑气动加热和变截面惯性矩的高超声速飞行器建模与分析

由于高超声速飞行器弹性机体/发动机的高度一体化设计,使得此类飞行器的动力学建模与控制较为复杂,而作为控制的基础以及面向控制的总体优化设计都需要建立高精度的动力学模型。首先,建立了考虑气动加热和变截面惯性矩影响的高超声速飞行器自由梁结构弹性模型,分析了气动加热和变截面惯性矩对飞行器振型的影响,得出了气动加热对振型影响非常小且振型引起的攻角变化很小,变截面惯性矩对飞行器的振型影响较大且振型引起的攻角变化较大的结论。然后,建立了考虑气动加热和变截面惯性矩影响的自由梁高超声速飞行器动力学模型,对考虑气动加热和忽略气动加热、恒截面惯性矩和变截面惯性矩对应的动力学模型进行了零极点分布对比分析,得出了气动加热对飞行器的纵向动态特性影响很小,变截面惯性矩自由梁对应的高超声速飞行器在特征点处开环不稳定性更大和非最小相位行为约束变弱的结论。