低轨卫星的气动特性预测与分析

针对低轨卫星高空自由分子流区的飞行环境特征,采用GOCE卫星典型弹道下的气动数据对DSMC仿真方法进行了算例验证,并就CLL模型下不同物面反射系数对GOCE卫星流场特征及气动特性的预测差异进行了对比分析,给出不同物面反射系数对卫星阻力预测的定量差异.结果表明,本文方法所得气动阻力与文献结果吻合较好,能够在此飞行区域给出合理的气动阻力;当反射系数从0.1逐渐变化至1.0时,卫星流场的驻点区域、尾部方向舵区域压力分布逐渐从带状结构向扇形结构过渡;在所研究的工况下,随着物面反射系数的增加,摩阻系数预测结果偏大,压阻系数预测结果偏小,总阻力先增加后减小,约在反射系数0.8附近达到最大.      

基于弱耦合的翼伞气动变形数值模拟

对不带气室翼伞和带气室翼伞的气动特性和结构变形进行三维数值模拟,分析气室对翼伞气动特性和结构变形的影响.流场方面,采用有限体积法求解Navier-Stokes控制方程,选用剪切应力输运(SST,Shear-Stress Transport)k-ω湍流模型;结构方面,假定翼伞有初始形状,使用插值方法映射传递流固交界面的压力数据,通过ANSYS计算翼伞伞衣的气动变形.结果表明:气室对阻力影响不大,对升力的影响主要表现在大迎角情况下;翼伞柔性和尺寸大小对其有利迎角的范围影响不大;翼伞的气动变形和最大主应力主要集中在气室中前部分,带气室翼伞由于有肋片加强的缘故,伞衣气动变形较小,一定程度上保证了翼伞的气动特性.     

基于弱耦合的翼伞气动变形数值模拟

对不带气室翼伞和带气室翼伞的气动特性和结构变形进行三维数值模拟,分析气室对翼伞气动特性和结构变形的影响.流场方面,采用有限体积法求解Navier-Stokes控制方程,选用剪切应力输运(SST,Shear-Stress Transport)k-ω湍流模型;结构方面,假定翼伞有初始形状,使用插值方法映射传递流固交界面的压力数据,通过ANSYS计算翼伞伞衣的气动变形.结果表明:气室对阻力影响不大,对升力的影响主要表现在大迎角情况下;翼伞柔性和尺寸大小对其有利迎角的范围影响不大;翼伞的气动变形和最大主应力主要集中在气室中前部分,带气室翼伞由于有肋片加强的缘故,伞衣气动变形较小,一定程度上保证了翼伞的气动特性.     

飞翼布局阻力类偏航操纵装置操纵特性分析

飞翼布局取消了常规的垂尾和方向舵,存在较严重的航向操纵与控制问题,需要重点掌握偏航操纵舵面的配置特点与操纵特性.针对飞翼布局最常采用的两种阻力类偏航操纵装置:开裂式方向舵和嵌入面,介绍了研究现状、受力特点,利用数值仿真方法,详细分析了偏航操纵特性、三轴操纵耦合特性以及对气动特性和稳定特性的影响规律,对比了这两种舵面在操纵特性方面的共同点和差异性,并揭示了内在的影响机理.可为解决飞翼布局偏航操纵问题以及阻力类偏航操纵装置的工程化应用提供基础.      

船身式水上飞机中高速静水滑行阻力估算

根据水上飞机起飞滑行阶段特殊的多介质环境,参考滑行艇水面滑行阶段的阻力特性分析方法,提出一种考虑气动布局影响的估算船身式水上飞机中高速静水滑行阻力的半理论半经验公式;用此公式计算得到某船身式水上飞机中高速滑行阶段的水动阻力及俯仰角随体积弗劳德数变化曲线,并分析水动阻力及俯仰角变化的原因;根据得到的水动阻力及俯仰角,计算某船身式水上飞机起飞滑跑距离,计算结果与试验结果一致,间接验证了所提出阻力计算公式的有效性,同时也为计算船身式水上飞机起飞滑跑距离提供一种思路.      

V形尾翼的气动特性研究

为了研究具有良好隐身特性的V形尾翼的气动设计准则,通过风洞实验,探讨了机翼不同上反角和副翼位置对V形尾翼的飞机全机气动特性的影响.比较了两种V形尾翼与常规尾翼的纵、横向气动特性.研究结果表明,机翼上反引起全机偏航力矩曲线呈非线性;靠近翼根的副翼偏转引起副翼偏航效率与其滚转效率同样量级.因此,设法使尾翼避开不对称的下洗流场的影响是V形尾翼设计的一项重要准则.      

直升机旋翼与机体间气动干扰风洞实验研究

介绍了由风洞实验得到的共轴式直升机在悬停和前飞时旋翼/机体气动干扰结果,并与单旋翼直升机进行了比较.旋翼对机体的干扰主要表现为:悬停时机体上产生垂向阻力和俯仰力矩;前飞时上述干扰减小,但机体的纵向和航向气动特性发生变化;分别增大水平尾翼面积和下旋翼桨距,旋翼对机体的干扰量增大;悬停时,机体对旋翼无明显影响,前飞时产生有利干扰.      

共轴式双旋翼尾迹流场的水洞PIV测量

采用粒子图像测速(PIV)技术,对共轴式双旋翼在悬停和以不同前进比前飞时的流场进行水洞实验.将激光片光定位于旋翼的纵向截面,桨叶的方位角和图像的获取是同步的.测量得到了旋翼流场的瞬时涡量和速度分布、桨尖涡的结构和脱落轨迹、悬停时的尾迹边界收缩和前飞时的尾迹边界倾斜角等.研究了不同状态下共轴式双旋翼流场的气动干扰特性.为了比较,对单旋翼也进行了同样的测量.实验得到了有价值的结果,对共轴式直升机的气动计算和合理设计具有重要意义.      

碟形升力体飞行器气动特性

碟形升力体飞行器采用了翼身融合的小展弦比气动布局.利用重心前移方式解决了横向稳定性问题,其效果在模型试飞实验中得到了验证.由于展弦比小而导致诱导阻力较大,为减小诱导阻力,在风洞中对一种后掠鱼鳍形小翼进行了吹风试验.模型安装翼尖小翼后,风洞测量其最大升阻比在30m/s风速下提高了70%.在试飞模型中验证了这种小翼不仅可以增大载重量而且增强了横向稳定性.为进一步了解碟形升力体飞行器的气动特性,利用数值方法对升力体流场进行了模拟研究.数值结果显示,由于展弦比小,升力体翼尖处诱导旋涡对升力体的气动特性影响较大.     

碟形升力体的低速气动特性研究

为改善升力体的低速气动性能,探讨各种措施对升力体低速气动特性的影响,在风洞中对一个碟形低速升力体半模型进行了实验研究.试验结果表明,采用适当的气动设计与附面层控制相结合,可以明显改善升力体的低速气动性能,其最大升阻比达到18.7,与原来相比提高了86%,而且零升阻力降低56%,大迎角气动特性也有一定的改善.实验中还对2种附面层控制方案进行了对比,给出了相应的试验结果,对其控制机理进行了初步的探讨.实验证明该碟形低速升力体气动性能优秀,并且已经成功进行了模型空中试飞.     

基于NACA0030的波纹状翼型气动特性探索

相对于光滑翼型,波纹状翼型的气动特性呈现出一些独特现象。为了深入探索这种布局的气动特点,在前期风洞试验的基础上,以NACA0030翼型为基础,设计了一组具有不同外形特征的波纹状翼型,开展了非定常数值模拟工作,详细研究了低雷诺数（Re=12×104）流动情况下波纹状外形对流场涡流结构和总体气动特性的影响规律。计算结果表明:相对于光滑翼型,波纹状翼型流动的分离流现象更明显,升力和升力线斜率有明显下降,但推迟了失速现象。波纹状翼型表面越光顺,气动特性越接近于光滑翼型。虽然波纹状翼型的压差阻力大于光滑翼型,但是波纹状外形产生的回流可以减小摩擦阻力。      

前体尾流对降落伞工作性能的影响

为研究前体尾流对降落伞工作性能的非定常影响,基于Realizablek-ε湍流模型采用PISO算法开展了物伞系统的非定常绕流数值计算,获得了精细的流场旋涡结构。在此基础上,研究了不同拖曳比下物伞系统的尾涡演变规律、流场分布规律以及伞衣气动特性变化。结果表明:前体尾涡导致伞衣入口处的涡量大小和方向时刻变化,随拖曳比增加,涡量黏性耗散增强,进入伞衣的旋涡强度逐渐减弱,伞衣入口形成稳定的负涡量区,伞衣尾涡脱离周期随之延长;拖曳比对尾涡区后端（伞衣入口处）流场压力的影响远大于前端,随拖曳比增加,流动形式逐渐由闭式转变为开式,流场的速度分布和压力分布更为对称,伞衣入口形成稳定的正压区,内外压差增加;当拖曳比大于9时,前体尾流对降落伞阻力系数和表面压强系数的影响减小。      

尾翼对民机后体流动特性的影响

在1.5 m低速风洞中采用表面油流、烟线/激光片光显示和部件测力等实验方法对2种民机布局后体的绕流流型和气动特性进行了研究.实验的风速为40 m/s,雷诺数为1.191×105,迎角范围为-10°~20°.实验结果表明:随着迎角由负到正的变化,2种布局模型后体绕流都经历了上分离—无分离—下分离流型的变化,分离流型属开式分离并由尾部起始向机身发展;小迎角下2种布局模型后体阻力的差别主要由尾翼的摩擦阻力引起,而较大迎角下尾翼绕流分离引起的压差阻力起主要作用;垂尾分离随迎角增加而不断减弱,从而导致正常式布局后体阻力随迎角变化表现为非对称.      

底凹结构减阻效应数值分析

为研究弹丸底凹结构的减阻机理,使用三维定常CFD方法对M910弹丸的流场特性进行了数值模拟。给出了零升阻力系数随马赫数的变化规律,所得结果与实验数据符合很好。在此基础上,为M910弹丸引入底凹结构并进行数值模拟。对比了不同弹底结构的底部流场特性,对底凹结构减阻效应的产生机理进行了分析。结果表明:亚声速下,底凹结构在底凹腔体内引入了高压“死水区”,并以“屈从”的流体边界代替了原固体底面,从而改变了尾部涡街的形成位置、形状和强度,最终增大底部压力,减小弹丸阻力;跨声速下,由于尾部涡街远离弹丸底面,固体底面与流体边界面的作用相同,使得底凹不再具有减阻效果;超声速下,底凹结构的减阻机理与底排弹丸减阻机理类似,即底凹结构中的流体为弹丸底部回流区添加质量从而达到减阻作用。      

分离式飞机应急数据记录跟踪系统设计与试验

分离式飞机应急数据记录跟踪系统具备智能弹射与分离、拖曳式跟踪拍摄、缓降与应急漂浮和数据传输等功能,针对弹射和缓降等过程进行了系统设计和无人机试验验证。同时,针对伞-囊组合体的特点,分析了气囊尾流区中伞衣阻力系数的变化规律。结果表明:气囊半径和伞衣名义直径是影响伞衣阻力系数的主要因素;伞衣阻力系数随气囊半径增大而下降,随伞衣名义直径增大而上升;在气动力分析和数值模拟的基础上,确定了伞衣阻力系数的计算公式。无人机试验完成各项设计功能,系统整体方案合理可行,为后续工程应用提供了重要参考。      

软管锥套式空中加油系统建模与特性分析

针对自主空中加油研究中软管锥套运动模型过于简化,现有建模方法又存在成本高、计算量大、软管长度恒定等缺陷的问题,根据集中参数法原理,提出了一种长度可变的多级串联理想单摆系软管锥套运动模型.同时考虑软管收放、加油机牵连运动、重力、定常流、大气扰动、加油机尾流等内外部因素,推导了迭代形式的变长度软管锥套三维运动方程.由摆长约束导出了求解软管拉力的代数线性方程组,进而给出了模型稳定性证明和适用条件.通过数值仿真,测试了锥套阻力、平衡位置、软管收放等稳态特性,分析了加油机滚转运动、尾涡流场对软管锥套的动态影响以及软管甩鞭现象的产生机理.数值仿真结果验证了所建模型的有效性.      

基于升力线理论的机翼几何扭转设计方法

针对飞机设计对于减小诱导阻力的需求,结合升力线理论中三维机翼诱导阻力的相关研究,提出机翼的几何扭转设计方法.此设计方法以总升力、机翼平面形状、翼型气动特性为输入参数,以机翼的几何扭转为输出.在低速情况下,利用此方法得到的机翼具有椭圆形升力分布,从而具有最小的诱导阻力.采用远场法计算诱导阻力,应用参数化方法和CATIA实现机翼的自动生成,应用网格生成工具ICEM的脚本语言实现气动网格自动生成,应用MATLAB的符号运算功能编制程序.该设计方法适用于低速有粘流中平直翼的几何扭转设计,算例的CFD(Computational Fluid Dynamics)计算结果表明:利用该方法设计的机翼展向升力分布为椭圆,并能有效降低机翼的诱导阻力.