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.     

风洞非均匀流场中的一体化高超声速飞行器缩比模型气动性能研究

准确预测气动推进性能是吸气式高超声速飞行器研究的重要挑战之一.针对CARDC吸气式高超声速实验室(AHL)自主设计的一体化高超声速飞行器风洞试验模型,通过数值模拟计算,研究了CARDCφ600mm脉冲燃烧风洞的流场,并与试验结果做了对比,确定了试验模型在风洞中的合理安装位置,分析了带舵面飞行器在进气道打开、发动机不工作情况下的气动性能,对比研究了试验模型部分处于风洞流场非均匀区时,风洞结果对模型气动性能产生的影响,对比了数值计算结果和风洞试验结果.结果为利用风洞试验结果准确分析飞行器气动性能提供了重要依据.     

HIFiRE项目中气动/推进一体化高超声速飞行器设计研究

美澳通过HIFiRE项目在高超声速飞行器的气动、推进和控制等领域进行了深入探索,并对一体化设计有动力飞行器的高速性能进行了评估。以单项验证、步步推进的系列飞行试验方式,对乘波体布局以及不同动力方式开展原理研究,结合飞行试验对设计状态进行验证,取得一系列有价值的飞行数据和阶段性成果。通过梳理气动/推进一体化过程中相关飞行试验,提炼出总体设计中的关键技术和试验结论,并对有动力飞行器的发展趋势作了分析。研究显示发生转捩的单位雷诺数范围在3×106~4×106之间,适应小迎角高升力特点的乘波体与超燃冲压发动机的组合成为优选方案,所取得的成果为带超燃冲压发动机高速飞行器总体方案设计提供了一定的参考。     

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.     

带减阻杆高超声速飞行器外形气动特性研究

采用高超声速风洞测力试验方法测量钝头飞行器头部减阻杆的高超声速气动特性,研究减阻杆的气动减阻原理,分析了多组不同构型减阻杆的减阻效果.结果表明,减阻杆显著减少了钝头飞行器高超声速的阻力,最大的减阻率达到60%之多;减阻效果与减阻杆构型和迎角状态密切相关;减阻杆会诱发稳定性、“热斑”以及非定常脉动等不利问题.     

升力体高超声速飞行器横向气动特性研究

升力体高超声速飞行器具有较高升阻比,但稳定性尤其是横侧向稳定性差,研究表明,在横侧向两个方向中,横向稳定性更弱。为了深入理解升力体高超声速飞行器最薄弱的横向稳定性问题,进行了两种典型升力体高超声速飞行器滚转动稳定特性的风洞试验研究。试验采用自由振动方法,试验马赫数5和6,单位雷诺数分别为Re/L=2.3×107和2.0×107。试验结果表明:升力体模型一在小迎角就出现自激振动,判断是由于头部存在非对称转捩引起,通过在模型前体顺气流方向布置绊线促使流动在绊线处对称转捩的方式,有效抑制了模型的自激振动,并使受激后的滚转自由振动曲线线性增强,滚转动态稳定性增加;升力体试验模型二的滚转非定常气动力的试验中模型的振荡具有较强多频谱和周期性特征,对该试验模型加绊线前多种状态的滚转非定常振动曲线进行的谱分析发现,它们都存在除机械阻尼外的3个振动频率,说明高超声速横向绕流有3个特征尺度,即横向分离或转捩流动有3个不同的尺度。建立由这3个振动频率余弦和形式表达的滚转力矩数学模型。从数学模型值与相应气动数据的对比来看,3个振动频率建立的数学模型捕捉了升力体高超声速飞行器滚转非定常气动力试验曲线的基本趋势,也涵盖了滚转力矩主要的量值范围。     

吸气式高超声速机体/推进一体化飞行器数值和试验研究

发展吸气式高超声速技术是实现可持续高超声速飞行(尤其是在大气层以内)的重要途径.吸气式高超声速飞行器为了获得良好的气动-推进性能,必须采用机体/推进一体化设计.笔者发展了针对一体化飞行器的气动力和推进力的划分体系和计算方法,发展了内外流数值计算软件.研究了机体/推进一体化设计的平头形高超声速飞行器在进气道关闭条件下的气动性能,并进行了试验验证;数值研究了进气道打开和发动机工作条件下一体化飞行器的气动-推进性能;研究了机体和推进系统的不同部件对飞行器气动-推进性能的贡献.     

高超声速侧向喷流干扰气动特性试验研究

在CARDC-5的推进风洞中,对双锥柱体模型进行了侧向喷流干扰测力试验。本次试验是对于高超声速中侧向喷流的一次比较系统的研究,包括单喷管冷、热喷流干扰测力试验和双喷管冷喷流干扰测力试验研究,飞行高度h=54km,试验马赫数为6,模型迎角α=0°~6°,模型滚转角γ=0°~90°,冷喷流介质为空气,热喷流介质为发动机燃气流。试验结果表明:对于本模型喷流气动干扰使喷流放大因子略有变化;在综合性能上双喷管要优于单喷管的表现。     

高超声速咽式进气道起动特性研究

为了研究高超声速咽式进气道在非设计迎角以及低马赫数下的起动性能,利用流线追踪生成了设计马赫数Ma=7,具有8-7无粘基本流场(即俯仰平面内的斜激波由和自由来流呈8°夹角的斜压缩面产生;偏航平面内的斜激波由和自由来流呈7°夹角的斜压缩面产生)的咽式进气道,并对边界层修正前后的两种咽式进气道进行了数值模拟和高超声速风洞实验.实验观测和记录了各个来流条件下进气道模型唇口的激波系结构,测量了沿进气道模型上下壁面中心线从气流进口到出口的沿程静压分布.结果表明:迎角的增大和来流马赫数的减小都会对迸气道的起动性能造成不利的影响,通过对咽式进气道进行边界层修正,可以提高进气道的总压恢复系数,减小内收缩比,从而扩宽进气道起动的马赫数以及迎角范围,对进气道设计有着积极的作用.     

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。     

高超声速飞行器舵面热气动弹性分析方法研究

利用修正的牛顿碰撞理论建立平板舵热结构气动力计算模型,完成非定常气动力计算,利用有限元方法建立温度场影响下舵面结构动力学模型,进而完成颤振稳定性分析。研究结果表明高温会导致控制舵颤振稳定性向坏发展。     

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.     

高超声速飞行器机身/超燃冲压发动机一体化设计研究

开展了高超声速飞行器机身/超燃冲压发动机一体化设计方法的研究.以多目标遗传算法为优化方法,采用一维流动模型计算性能指标,对机身下壁面前体和后体型线进行了优化设计,得到了Pareto最优前沿面.计算结果表明该方法可大大提高机身/发动机的匹配水平,获得高性能的设计方案.该方法可进一步推广应用于包含更加精确的流动模型的优化设计当中.     

高超声速风洞测力数据的关联研究

通过比较分析法研究AGARD B标模在BIA的FD 0 7风洞中气动力测量数据与其它高超声速风洞设备测量结果的相互关联。其目的 ,既可以综合鉴定FD 0 7风洞的流场性能和测试水平 ,也可以从另外意义上为数值方法的程序校验提供必要的技术支持。结果表明 ,在Ma =4.94～ 7.96范围内 ,所测得AGARD B标模的力、力矩和压心位置 ,不仅随Ma和α的变化趋势与其它风洞一致 ,而且其变化量比较接近于各风洞测力数据拟合的逼近曲线。     

高超声速有翼导弹多场耦合动力学的研究和进展(下)

在对国内外文献调研的基础上,就有关高超声速有翼导弹多场耦合动力学分析和仿真技术的研究和发展现状进行评述,包括气动加热、大攻角非定常气动力、结构传热和温度场分析、热弹性耦合和热模态分析、耦合动力学分析的数学模型和求解方法等内容。最后针对高超声速有翼导弹提出进一步研究开发的建议。     

高超声速飞行器测热试验研究

在JF 8脉冲风洞中,来流马赫数Ma=8.0,来流单位长度雷诺数Re/L=1.47×107和2.52×107(1/m)两种试验条件下,对高超声速飞行器1/20缩尺模型进行了表面气动热的测量。模型迎角α=0°,10°,15°,20°,25°和30°。试验给出机身对称面、翼前缘、立尾前缘等处的热流率分布。机头部分最大热流率与由Fay Riddell公式计算的驻点热流Q0率接近,翼前缘最大热流率在全机身中最大,约为Q0的2倍,因此翼前缘的热环境是最严酷的。     

高超飞行器内流道激波振荡问题的数值研究及试验验证

采用数值模拟和风洞试验的方法,对吸气式高超声速飞行器盲腔状态的流动特性进行了研究.采用“双时间步”方法进行了内外流一体化的非定常数值模拟,利用彩色纹影系统对高超声速飞行器前体流场进行显示,并采用动态压力传感器测得了飞行器内流道的壁面压力随时间的变化.结果表明:盲腔构型在高超声速飞行中会出现周期性的激波振荡现象.数值模拟所得流场变化特征、内流道壁面压力振荡周期和壁面压力变化趋势与试验结果吻合良好.     

三维高超声速底部喷流干扰流场数值模拟与试验研究

通过数值模拟和风洞试验两种手段对来流马赫数M∞=4、喷流压比Pj/P∞=156.8、不同迎角下的三维高超声速底部喷流干扰流场进行了研究.研究结果表明超声速底部喷流干扰流场结构复杂,有、无喷流时底部流场有很大不同,对气动力系数影响显著;在大喷流压比情况下,喷流干扰使导弹纵向气动力系数下降、压心前移.最后,对数值模拟与风洞试验在结果上的差异进行了分析.     

高超声速飞行器结构热试验技术进展

重点介绍了美国NASA Dryden飞行研究中心近十年来开展的结构热试验技术研究,包括加热技术、温度测试、热流测试、高温应变测试、传感器安装技术、热结构无损检测等内容,以及进行的高超声速飞行器热结构试验项目.