吸气式高超声速飞行器通气模型测力试验技术研究

由于内阻测量方法限制,来流Ma_∞4时常规通气模型测力试验精度无法满足吸气式高超声速飞行器设计和性能评估需求。为解决上述问题,确保试验精度满足飞行器研究需要,探索了将天平测量内阻技术引入常规通气模型测力试验的可行性。从改进试验方法角度提出了一种回避内阻测量难题的新型试验方法:采用"尾支+六分量天平"直接测量通气模型的气动特性(机体控制体产生的气动力载荷),并开展了试验验证。结果表明:由于减少了内阻测量环节,新型测力试验技术的精度高,Ma_∞=6时的阻力系数误差小于2%,远低于常规通气模型测力试验误差,具有精度高、模型相对简单、技术复杂程度较低、推广应用可能性大的优势。     

高超声速内外流解耦试验系统设计与验证

在模型上将高度耦合的内外流气动力载荷分开,是吸气式高超声速飞行器直接测力试验的关键。为探索相关设计技术,以圆截面通气模型为研究对象,通过相互独立的内/外流部件实现内外流分离;通过计算机辅助内/外流部件间隙与天平设计,特别是内/外流部件间隙开口位置与尺寸确定,来解决内/外流部件接触问题;通过软填料密封解决内外流窜流问题,并对试验干扰因素进行了分析,在Ma=6条件下开展了验证试验。典型试验对比结果表明,部件间隙开口位置和尺寸适当、天平刚度较大时,内/外流部件无接触、不传力;间隙开口采用软填料密封,内外流不窜流、干扰小。试验证明,该系统设计是成功的,能从物理上将内/外流气动力载荷分开,测量误差可分别控制在3%、4%左右。     

吸气式高超声速飞行器大迎角气动特性分析

吸气式高超声速飞行器在飞行过程中受到大气紊流等外部干扰的作用时,飞行姿态很可能会出现大迎角情况。针对大迎角飞行时飞行器可能出现的气动问题,对一种典型吸气式高超声速飞行器的流场进行了数值模拟。以雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程为控制方程,采用标准k-ε湍流模型求解,得到其流场特征和气动特性。重点针对大迎角情况,分别对整机气动特性、进气道性能和全动尾翼气动性能进行了分析,并结合流场特征作出解释。结果表明,机身和发动机之间存在气动/推进耦合现象。大迎角下飞行器的气动参数表现出非线性特性,升阻比减小,整机纵向表现为静不稳定,且不稳定性随迎角增大而增大;进气道性能在大迎角下降低,从而导致发动机推力下降,不利于发动机的正常工作,但却适当降低了整机的纵向静不稳定度;全动尾翼操纵效率降低从而使得配平难度增大。     

吸气式高超声速飞行器前体/进气道一体化设计与试验

针对吸气式高超声速飞行器前体/进气道一体化设计的问题,以总体指标为约束,采用数值设计手段开展了前体/进气道一体化设计,并对高超声速飞行器进行测压/测力试验,考核了前体/进气道的一些主要性能,结果表明:①设计状态下,数值计算结果表明前体/进气道性能符合总体指标要求,设计手段有效;②数值手段模拟结果和风洞试验结果吻合良好,流量系数最大误差为4％,总压恢复系数最大误差为42％,数值算法有效;③前体/进气道的附加阻力随来流马赫数的增大而减小,0°攻角下,在来流马赫数为4时,附加阻力占总阻力的172％,在总体设计时应予以考虑;④在进行吸气式高超声速飞行器通流测压/测力试验设计时,应充分考虑进气道不起动的试验预案,防止由于进气道不起动导致整个试验的失败.      

高超声速飞行器气动弹性力学研究综述

高超声速飞行器设计上的特点带来了一系列的气动弹性新问题。本文回顾高超声速飞行器气动弹性研究的历史与现状,着重介绍和分析了高超声速非定常气动力计算方法、热环境下的气动弹性问题、壁板颤振、推力影响下的气动弹性稳定性问题以及气动推进/气动弹性耦合的多学科交叉问题,相关的主动控制方法的研究进展亦有所介绍。在已有气动弹性问题研究发展的基础上,提出了高超声速飞行器在气动弹性领域需要解决和关注的若干问题,包括高超声速气动弹性试验、燃料消耗的质量变化对于飞行器气动弹性特性的影响以及气动弹性力学与飞行力学综合等方面。     

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-07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-07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。     

吸气式高超声速飞行器非均匀尾喷流试验

在中国空气动力研究与发展中心0.5m高超声速风洞中,开展了非均匀喷流条件下的吸气式高超声速飞行器后体尾喷流/外流干扰测压试验研究。采用非均匀内喷管,模拟飞行器尾喷管非均匀入流,测量了飞行器后体膨胀面及水平翼表面压力,采用高清纹影观测了喷流干扰区域的流场结构,获得了不同工况下非均匀入流对尾部及水平翼表面压力分布的影响规律。试验结果显示尾喷管非均匀入流对飞行器尾部壁面压力分布及流场结构有明显影响,喷管入流的非均匀特征在吸气式高超声速飞行器喷流模拟中不可忽视。非均匀喷流核心区压力分布明显高于均匀喷流时的结果;核心区域外,非均匀喷流的作用面积略小于均匀喷流,且非均匀喷流同外流交叉干扰区域的面积和强度要略小于均匀喷流;均匀喷流在喷管出口区域存在明显的膨胀波系,交叉干扰激波及剪切层的扩张角也大于非均匀入口条件时的结果。     

输入受限的吸气式高超声速飞行器自适应Terminal滑模控制

 针对吸气式高超声速飞行器的纵向运动模型,研究了输入受限时控制系统的设计问题,提出了一种内外环相结合的自适应Terminal滑模控制方法.以迎角和俯仰角速度作为内环控制对象,考虑到气动弹性模态和外部干扰,采用反步设计方法,设计出升降舵的自适应Terminal滑模控制律;以飞行速度作为外环控制对象,采用动态逆设计方法,设计出输入燃料当量比的动态逆自适应控制律,同时利用多层神经网络逼近控制律的饱和特性.基于Lyapunov稳定性理论,证明了采用此控制策略可以保证闭环控制系统的所有信号都是指数收敛至系统原点的一个有界邻域内,同时飞行器的气动弹性模态都是渐近稳定的.仿真结果表明,此控制策略能有效地处理吸气式高超声速飞行器在纵向运动过程中控制输入饱和受限的约束,在完成控制目标的同时,具有良好的过渡过程品质.     

吸气式高超声速飞行器机体推进一体化技术研究进展

吸气式高超声速一体化飞行器最显著的特点是子系统之间的耦合较其他类型飞行器更加强烈,这使得其设计具有挑战性。所有的子系统之间部件相互干涉,包括:气动、推进、控制、结构、装载和热防护等,特别是机体与超燃冲压发动机之间的耦合最为突出。飞行器的前体和后体下壁面既是主要的气动型面,又是超燃冲压发动机进气道外压缩型面和尾喷管的膨胀型面,在产生推力的同时也产生升力和俯仰力矩。机体与发动机的强耦合作用对飞行器的推力、升力、阻力、俯仰力矩、气动加热、机身冷却、稳定性和控制特性有直接的影响。本文介绍了国内外机体推进一体化技术的研究进展,重点介绍了中国空气动力研究与发展中心(CARDC)的相关研究工作,包括:密切曲锥曲面乘波进气道和基于双激波轴对称基准流场内转式进气道设计方法、独创的大尺度脉冲式燃烧加热风洞一体化飞行器带动力试验技术和高超声速内外流耦合数值模拟技术等。对高速飞行中激波边界层相互干扰、流动分离机理、可压缩湍流转捩及其控制、超燃冲压发动机燃烧流动机理等相关基础问题也进行了研究,强调了对高效高精度计算方法的迫切需求。     

吸气式高超声速推进助推段内流振荡及其抑制

为了掌握高超声速飞行器盲腔流场的激波振荡机理,采用"双时间步"方法对轴对称吸气式高超声速飞行器内流道盲腔流场进行了非定常数值模拟。结果表明,飞行器内流道出现了非定常激波振荡现象,内流道壁面压力出现了低频高幅的周期性变化。为了消除高超声速飞行器内流道的激波振荡现象,设计了级间段泄流方案,对飞行器进行了内外流一体化定常和非定常的数值模拟。结果表明,级间段泄流方案可以有效地消除内流道的激波振荡现象。     

高超飞行器进气道/内流道流动特性试验

用Ma∞=7风洞试验的方法研究了一种吸气式高超声速飞行器二维进气道/内流道的流场特征与起动特性.试验结果表明:在来流总压0.5～1.9 MPa、单位雷诺数2.48×106～7>.95×106范围内,进气道起动的前提下,进气道/内流道沿程压力分布受来流总压、雷诺数的影响变化很小;在进气道外压缩段流动未受干扰前进气道隔离段最大可承受反压约为250倍自由来流压力;未加侧板时该进气道具有自起动能力,加侧板后隔离段出口压力有所增加;在设计点工况,该进气道增压比42.9,总压恢复0.27,出口马赫数2.76.      

高超声速飞行器内流道流态及其对全机气动力影响的实验研究

对吸气式高超声速飞行器而言,内流道的流态对推进系统乃至飞行器的工作特性有重要影响.本文用风洞实验的方法研究了升力体(类X-43)、二元进气道和轴对称进气道三种构型在不同来流、内部几何和燃烧室反压条件下的内流道工作情况,着重分析了起动/不起动状态对内流道流动特征及全机气动力的影响,提出并发展了通过在燃烧室内喷射高压气流的内流道反压模拟技术,并运用这一技术成功实现了内流道由起动向不起动、由不起动向起动/再起动的切换.     

二元高超声速进气道自起动特性试验

为了研究二元高超声速进气道的自起动特性,针对一带前掠侧板的混压式二元进气道,在来流马赫数为4和3.5状态开展了风洞试验,利用反压系统实现了进气道的起动、不起动和自起动过程.分析试验结果可知,进气道在来流马赫数为4和3.5状态均可自起动,但在来流马赫数为3.5,2°攻角状态不能自起动.当反压过大引起进气道不起动时,侧板根部均存在分离包、分离激波并引起溢流.从不起动状态进气道的流场结构看,该二元进气道的不起动属于软不起动,其机理不同于经典的自起动理论.但是试验结果表明,进气道的自起动马赫数仅略低于自起动理论值.当内压段入口马赫数低于2.5时,采用经典自起动理论估算自起动性能仍具有较高的精度.      

壁温对高超声速飞行器阻力的影响

为了研究壁温对高超声速飞行器阻力的影响,在常规高超声速风洞和脉冲燃烧加热风洞中开展试验研究,结合数值仿真,分析了试验中的流动机理及试验结果差异产生的本质原因。提出了典型高超声速飞行器阻力预测准则。对飞行条件下的飞行器阻力进行预测,验证了预测准则的正确性。研究表明:壁温与来流静温比是造成不同风洞试验阻力差异的主要原因,对发动机内流道的压差阻力和摩擦阻力均有显著影响。在高超声速飞行器阻力预测时,要同时模拟马赫数、雷诺数、壁温与来流静温比3个相似参数。     

高超声速飞行器瞬态热试验

为了进行高超声速飞行器热防护系统的初步设计和数值计算的验证,设计开发了高超声速飞行器瞬态气动加热地面试验系统及其控制软件.试验系统能够根据飞行器的飞行轨迹和外形参数加载瞬态热流,实时测出结构表面的热流值和温度,得到飞行器的表面试验热流曲线和温度曲线.试验系统采用真空舱模拟飞行环境,并为此设计了冷却床,在真空环境下能比较真实的模拟热防护系统的下表面热环境,使瞬态热试验的原理更加合理,精度进一步提高.      

高超声速飞行器相关的摩擦阻力直接测量技术

摩擦阻力是高超声速飞行器气动力的重要组成部分,也是制约高超声速飞行器发展的重要因素,因而对摩擦阻力的准确测量就显得尤为重要。简要介绍了近年国内外与高超声速相关的摩擦阻力直接测量技术的发展状况,同时对中国航天空气动力技术研究院白行研制的两套摩擦阻力测量装置作了介绍,并指出应变式摩阻天平技术是测量摩擦阻力的有效途径之一。文中给出了这两种结构形式摩阻天平的静校结果及其在高超声速风洞中的试验结果,并对结果进行了讨论。     

某运载火箭级间分离喷流干扰风洞试验研究

对某运载火箭级间分离特性进行了风洞试验研究,内流采用冷喷流模拟技术,获得了助推器与芯级同时分离和助推器先分离时,两级在有、无喷流、同轴变迎角情况下的气动力系数,试验结果表明,助推器与芯级同时分离和助推器先分离两种情况下,一、二级箭体各自的气动力系数变化很小,这说明助推器与芯级同时分离的方案是可行的。风洞试验研究结果为运载火箭级间分离方案设计和火箭控制系统参数设计提供了依据。     

高超进气道临界起动特征

通过对一种吸气式高超飞行器模型的Ma=7风洞吹风试验结果的分析,获得了高超进气道不起动、临界起动和起动状态的流动特征,包括流动图谱、压力分布和气动力分布;并将进气道内收缩比值与等熵理论最大起动收缩比限、自起动最大起动收缩比限和经验最大起动收缩比限做了对比分析,分析结果有助于高超进气道的设计和起动性能的评估.