一体化高超声速飞行器气动-推进性能评估

吸气式高超声速飞行器的一个重要特点就是机体和推进系统的高度一体化设计.在这类高超声速飞行器的发展中,机体-推进系统内外流场相互干扰的评估以及飞行器气动-推进性能的研究是非常重要的.文中阐述了CFD和风洞试验结合评估一体化飞行器气动-推进性能的近似方法,涉及一体化飞行器进气道和发动机的三个工作状态:进气道关闭、进气道打开发动机不工作以及进气道打开发动机工作.针对进气道关闭的工作状态,大量气动数据可由试验获得.但是,受模型尺寸和设备的限制,试验模拟进气道打开发动机不工作特别是进气道打开发动机工作的飞行状态是非常困难的.因此,首先根据进气道关闭和进气道打开发动机不工作两种情况下风洞试验数据与CFD计算结果的对比得到计算误差,在此基础上,结合内外流数值模拟,预测不同进气道和发动机工作状态下一体化飞行器的气动-推进性能.     

高超声速风洞气动布局设计

在分析国内外高超声速风洞发展现状的基础上,根据南京航空航天大学高超声速风洞(Nanjing Universityof Aeronautics & Astronautics Hypersonic Wind Tunnel,NHW)总体技术指标和要求,对该风洞气动布局设计方案和备部件的气动设计进行了研究.风洞气动布局设计点为马赫数5和8、设计总压为1 Mpa、总温685 K;风洞驱动方式采用高压下吹-真空吸气式方案,运行时间大于10 s、高压气源容积为32 m3、真空容积为650 m3;风洞加热方式采用金属板蓄热式加热器方案;风洞试验马赫数获取方式采用φ0.5 m口径的马赫数5,6,7和8的型面喷管方案.     

高超声速一体化飞行器冷流状态气动特性研究

采用数值模拟和风洞实验方法.对高超声速一体化飞行器缩比模型在发动机关闭以及发动机通流状态下的气动特性进行研究.实验中采用彩色纹影系统对缩比模型飞行器的超声速流场进行显示,并通过六分量应力天平测得了全机的升力、阻力和俯仰力矩,数值模拟气动力系数以及流场特征与实验结果吻合较好,同时分析了飞行器保持静稳定状态下的质心选择范围.结果表明进气道开启之后飞行器升力阻力以及抬头力矩显著下降,但此飞行器配平迎角仍较大.该实验结果验证了数值方法的可靠性并为飞行器构型设计提供了参考数据.     

常规高超声速风洞的节能方案研究

为了适应高超声速飞行器发展的要求,常规高超声速风洞的建设规模向2m量级发展。但是,随着风洞尺寸的增加,风洞运行所耗费的能源剧增。如何在满足高超声速飞行器试验对风洞尺寸要求的条件下,节省风洞运行时的能量消耗,已成为常规高超声速风洞设计技术发展必须考虑的重要问题。针对这个问题,从常规高超声速风洞气动布局的角度进行了初步探索。首先总结了现有常规高超声速风洞的气动布局;在此基础上,对常规高超声速风洞的能量运行特点,以及不同布局中工作气体余热的处理情况进行了分析;然后结合常规高超声速风洞的运行特点,分析了风洞中可能采用的余热利用技术;最后,提出了一种基于余热利用的常规高超声速风洞布局方案,并对该方案中的关键问题进行了讨论。文中对于该方案的节能情况进行了分析,结果显示,该方案相对于已有的气动布局具有明显的节能效果。     

高超声速风洞两级引射器气动性能试验研究

以中国航天空气动力技术研究院（CAAA）FD-07风洞为对象,进行了马赫数5~6时两级超声速引射器气动性能试验研究。通过二级引射器单级调试、两级引射器联调、主-次流混合调试,获得了引射器运行时的相关数据。通过试验数据分析,得出如下结论:（1）在FD-07风洞引射器马赫数5~6试验中,一级引射器运行压力0.8MPa、二级引射器运行压力1.0MPa时,引射器运行效率较高,中压气源消耗较少;（2）超声速引射器用于维持风洞运行压比,而风洞驻室低压环境（即试验模拟高度能力）主要由主气流状态决定,与引射器关系不大;（3）一级超声速引射器能对主气流干扰、二级超声速引射气流干扰起到很好的隔离作用。进一步明确了FD-07风洞引射器的运行状态,优化了引射器运行压力方案。     

大型高超声速风洞真空模式调试及流场性能校测

未来先进飞行器飞行高度不断增大,对风洞试验模拟能力的要求不断提高,需要高超声速风洞具备更低真空的运行能力,常规多级引射系统已不能完全满足要求.为提高风洞试验高度模拟范围,中国航天空气动力技术研究院(CAAA)在新建Φ1.2 m高超声速风洞基础上设计专用真空排气支路,实现了风洞压力真空模式运行.风洞系统调试及校测结果表明...     

航天飞行器在ITAM的AT303高超声速风洞中的空气动力实验研究

俄罗斯科学院西伯利亚分院理论与应用力学研究所新研制的AT-303风洞于1999年开始投入使用.由于具有较高的驻点压力,AT-303能够模拟飞行器再入时的真实Reynolds数,其Mach数范围为8~20.在ITAM与ESTEC和EADS-ST协作的ISTC项目的框架下,在AT303风洞中对不同航天飞行器的空气动力特性进行了研究.通过对HB-2(AGARD)参考模型进行测力实验,并将实验结果与其它可用的实验和数值计算结果进行比较,AT-303风洞的流场品质和实验仪器的性能得到了检验.在与实际飞行条件相对应的Mach数和Reynolds数条件下对典型的高超声速航天飞行器进行了实验.测量了气动力和力矩,确定了这些飞行器的主要气动特性.给出了实验结果,对实验数据进行了分析并与理论结果进行了比较.从研究中得到了一些经验,并提出对下一步研究的建议.     

高超声速飞行器表面气动热和粘性摩擦力计算

本文给出了高超声速飞行器表面摩阻和传热系数 (斯坦顿数 )的计算结果。采用两种方法平面切面法亦即二维边界层近似法和工程方法计算了飞行器高超声速绕流的粘性效应 ,并对两种方法的计算结果作了仔细的比较。由文可见 ,对于在稠密大气层内 ,沿轨道运行头速度恒定的高超声速有翼飞行器 ,能够用本文所采用的两种方法计算其表面摩阻和热载荷。此二法可成功地应用于绕复杂形状物体的流动参数计算。     

吸气式飞行器高超声速风洞气动力试验技术研究进展

机体/推进一体化吸气式飞行器结构布局形式特殊,为精确获得其气动力特性风洞试验数据,必须发展可靠的风洞试验技术。针对一体化高超声速飞行器气动力风洞试验需求,在中国空气动力研究与发展中心的高超声速风洞上发展了吸气式飞行器通气模型测力试验技术、尾喷流模拟测力试验技术、铰链力矩测量试验技术、通气模型动导数测量试验技术和飞行器表面摩阻测量试验技术,为获得可靠的机体/推进一体化吸气式飞行器高超声速风洞气动力特性数据提供技术支撑。     

高超声速飞行器的气动力工程计算

为满足高超声速飞行器在概念设计和优化设计中对气动力快速计算的需求,基于C/C++研究和开发了高超声速飞行器的气动力快速计算程序。使用该程序对HL-20升力体和双椭球模型的气动力特性进行计算,将计算结果与风洞实验数据进行对比分析。结果表明,计算结果与风洞实验数据吻合良好,该程序能够准确计算高超声速飞行器的升阻特性。通过修改工程计算方法,对比计算数据,验证本文使用的计算方法的精度,同时也体现了该程序可以灵活选择适合的计算方法的特性。此外,该程序不仅可以自由的更换计算方法,还能够作为C++的库文件链接成为优化程序的一部分,实现高超声速飞行器的概念设计和优化设计。     

高超声速风洞试验模型底压测量方法研究

针对高超声速风洞试验模型底压测量误差较大而导致模型底阻难以精确扣除的问题,在Φ1m高超声速风洞中开展了3种底压测量方法的对比研究,即电子扫描压力测量方法、低压力差压传感器测量方法和微型绝压传感器测量方法,并在马赫数6试验条件下开展了HB-2标模和某导弹模型试验验证。试验结果表明:采用微型绝压传感器进行模型底部压力测量能避免测压管路的影响,可快速响应高超声速风洞试验模型底部压力变化情况,有效提高模型底压的测量精准度。     

高超声速风洞流场中的气流旋转影响及消除

风洞实验需要高品质的来流,但部分高超声速风洞由于加热器特性可能导致流场中存在气流旋转,为了消除或减小旋转,提出了在风洞稳定段前加入反向旋转气流来抵消气流旋转的思路。为验证该思路及了解高超声速流场中旋转程度总体效应,设计了一种带翼模型和高精度滚转力矩天平。在Φ0.3m高超声速低密度风洞中进行了M6、总压约2×105Pa、氮气常温时（电弧加热器不通电）多种进气条件下的滚转力矩测量实验,结果表明流场中存在旋转,滚转力矩系数C_l最大为1.657×10-3,采用约2%总流量的反向气流可达到滚转力矩系数降低2个数量级的效果,为提高风洞流场品质提供了较为有效的解决措施。     

红外热图在高超声速低密度风洞测热试验中的应用概述

围绕大极角情况下模型表面温度的测量、红外热图测热精度的提高、模型物面坐标与红外热图像素位置对应关系等问题,对近年来在高超声速偌氏密度风洞开展的红外热图测热工作进行了总结,给出了一些实用、简单、经济的方法.为验证上述技术,在高超声速低密度风洞开展了用红外热图技术与热电偶同时测量一平板带劈薄壁模型表面的气动加热率分布以及半球圆柱模型红外测热数据与DMSC计算结果的比较.不同手段获得的数据与红外测热数据相互验证的结果表明:这些技术的解决,有利于红外热图技术向工程化实用化迈进.     

超声速/高超声速风洞试验段结构形式对流场性能的影响研究

通过求解轴对称 N-S 方程,对Φ1 m 高超声速风洞马赫数3和6状态下的流场进行了模拟,计算结果与试验数据基本一致,验证了所用数值方法的可信性。在此基础上,对比研究了马赫数3和6状态下采用闭口等直圆截面和开口自由射流两种试验段结构形式的超声速/高超声速风洞在起动条件下的稳态流场性能。结果表明:采用闭口等直圆截面试验段和开口自由射流试验段的流场均匀区内速度场性能指标均满足相关标准要求;马赫数3喷管采用闭口试验段时,沿风洞轴向-300mm~900mm 截面范围内的流场均匀区直径均保持在Φ882mm 以上,均匀区面积较开口试验段增加了约31.57%;马赫数6喷管采用闭口试验段时,均匀区面积比开口试验段仅增加了约8.24%,流场品质略为提高。超声速条件下,闭口试验段的流场均匀区增加明显;但在高超声速条件下,闭口试验段的流场均匀区增加比较有限。     

扫描式总压耙在高超声速推进风洞流场测量中的应用

在风洞实验中,为了保证实验结果的可靠性,首先需要了解流场的品质。笔者自行设计研制了用于高超声速推进风洞流场测量的带有水冷装置的可移动式扫描总压耙。对于出口截面为300mm×187mm的风洞喷管,通过计算机程序控制,可在3s时间内实现全截面间歇式或连续式扫描,最大移动速度可达250mm/s,而且定位准确。通过扫描结果,分析了流场压力均匀性、稳定性以及实验结果的可重复性,同时还给出了风洞喷管出口截面的总压与马赫数等值线图。从而为超燃冲压模型发动机实验提供参考数据。     

乘波外形高超声速风洞测力试验研究

介绍利用气动设计方法构筑3种乘波外形模型在高超声速风洞中气动力测量的结果。试验Ma数为4.94、5.93和7.96,基于自由流条件的单位长度雷诺数分别为2.2×107/m、1.9×107/m和1.2×107/m。试验给出这3种构型模型在迎角范围-1°~8°下的力和力矩特性。讨论了Ma数和迎角变化对气动力和压力中心的影响,同时着重比较了3种乘波外形的升阻比特性。     

线状多体系统定常气动力节段模型风洞测试

在风—车—桥耦合振动分析及具有独立式双层桥面的大跨桥梁风致振动分析中常需得到考虑相互气动影响的各构件的三分力系数。为进行线状多体系统定常气动力测试,在常规桥梁节段模型三分力测试装置的基础上研制了一种三分力分离装置———交叉滑槽系统。该系统利用环形滑槽和直线滑槽交叉点位置的变化来调整各测试构件间的相对几何关系,并能实现多构件的同轴转动,从而方便地进行不同迎角情况下的气动力的测试。最后,利用交叉滑槽系统对一具有双层桥面的钢管混凝土系杆拱桥在其上有车及无车情况下各构件的定常气动力进行了测试,试验结果表明:车辆的存在对上、下桥面的气动力有较明显的影响。