航天器返回地球的气动特性综述

航天器返回地球的飞行过程中,气动特性是实现将宇宙飞行速度减到落地前速度、保证再入飞行得到有效控制以及再入防热安全可靠的关键因素。针对简单旋成体气动外形、半弹道式再入控制、烧蚀防热类返回航天器,综述了返回地球过程中变化的空气流域特性、航天器周围的气体绕流环境、空气与航天器作用产生的动力学与热效应等。系统地给出了该类航天器的再入气动特性参数与飞行性能的共性规律,包括:气动阻力与再入减速、气动升力与再入轨迹控制、配平攻角与飞行稳定性、气动加热与防热,以及再入过程中不同气动特性航天器、气象条件变化等对再入飞行性能的影响规律。为航天器开展返回飞行过程的跨流域气动性能工程研制提供设计参考。     

高超声速飞行器钝舵缝隙流动数值模拟研究

目前,带缝隙钝舵的缝隙引起的流场结构和气动加热规律变化,还很不明确,需要研究缝隙诱导所形成旋涡的空间分布特征和旋涡运动对物面气动加热的影响规律。通过分析高超声速钝舵缝隙气动加热问题,基于无缝隙钝舵,建立一种带缝隙钝舵简化模型。使用有限体积方法求解可压缩Navier-Stokes方程,通量采用van Leer通量向量分裂方法计算。插值采用MUSCL方法,时间项采用LU-SGS隐式方法。结果表明:无缝隙钝舵流场结构相对简单,带缝隙钝舵流场结构同无缝隙钝舵相比要更为复杂,舵轴上游缝隙内会出现马蹄形涡串结构,相应地在缝隙的上下表面均会出现马蹄形高热流区;受缝隙诱导分离再附流动的影响,在舵轴迎风面以及舵体侧面后部均形成了局部高热流区。     

燃气舵外围流场计算

对燃气舵沿气流方向的横截面进行其外围的二维流场计算。计算中将燃气舵外围流场划分成三个区域,I区为钝头体头部绕流脱体激波后的亚跨声速区,Ⅱ区为脱体激波后的超声速区,Ⅲ区为膨胀波后的流动区。对各个流动区,分别用条带法、特征线法和普朗特尔-迈耶公式计算,获得各区的流动参数,为燃气舵的气动力、气动加热、烧蚀、传热、应力等计算提供流场数据。     

高速飞行器翼舵缝隙激波风洞精细测热试验研究

高速飞行器的气动控制翼舵面,为了转动灵活,在弹体和翼舵面之间存在缝隙。缝隙的存在会导致高速热气流进入,在舵轴根部产生强分离再附区域,形成高热、高压、高剪切严酷热环境,对飞行器的热防护提出了很高要求。由于影响翼舵缝隙流动的因素十分复杂,缝隙内热环境的准确预测非常困难。目前传统的激波风洞缝隙测热试验受限于薄膜热流传感器2mm直径,只能在分离再附区布置有限测点,无法捕捉到热流峰值,导致计算与试验存在较大偏差。本文根据缝隙分离再附区热环境特点,针对精细测量的可行性,从传感器选取、测点布置方案、测量及数据后处理等方面进行了详细分析,提出了分布式热电偶精细测量方法,实现了采用点测热达到面测热的效果。针对简化的圆柱弹身加舵面的模型,完成翼舵缝隙精细测热试验,获得了翼舵干扰区峰值热流。试验研究了不同缝隙高度、舵偏角、迎角对翼舵干扰区热环境的影响规律,试验结果表明:翼舵缝隙对弹身干扰主要集中在舵轴干扰区。舵轴干扰区热环境随着缝隙高度的增加而增强,随着舵偏角和迎角的增大而增大。同时,试验结果与CFD计算结果对比表明,两者基本吻合。     

湿空气凝结对ONERA M6机翼气动特性影响的数值研究

大气飞行条件下机翼附近的跨声速湿空气流动中空气中含有的水蒸汽可能越过饱和线而发生非平衡凝结。水蒸汽凝结潜热加热气流会改变跨声速流动的特性,从而对机翼气动特性造成显著影响。本文建立了湿空气非平衡凝结流动的数学物理模型,对ONERA M6机翼在跨声速条件下的湿空气非平衡凝结流动进行了分析。结果表明,与干空气流动相比,在攻角为3.06°和空气相对湿度为50%时,ONERA M6机翼表面压力系数有显著变化。造成机翼气动特性显著变化的原因在于:湿空气中水蒸汽凝结放热对跨声速气流加热,导致机翼表面附近的流速、压力与流场结构发生了显著变化。     

高超声速多体分离过程气动加热计算技术

发展了无粘外流解与气动热工程方法相结合的用于全机外形复杂流动气动加热计算技术,并将其与动态多体分离过程流场解相结合,提出了一种高超声速飞行器多体分离过程气动加热特性计算技术,然后耦合结构传热,实现了飞行器热防护系统中结构材料温度分布特性的数值模拟。采用本文方法,针对假定高超声速多体分离布局及飞行条件开展了分离过程中的结构温度分布特性与热流密度分布特性计算,分析并给出了组合体分离过程中部件干扰对气动热的影响特性。结果表明本文发展的计算技术可为高超声速飞行器的防热方案设计、气动热特性定性分析及热防护系统设计等提供技术支持。     

栅格舵气动与操纵特性高速风洞试验技术研究

为研究飞行器单独栅格舵全尺寸模型气动特性,考核、验证舵控系统操纵性能,在FL-24风洞（1．2m×1．2m）开展了专项试验技术研究。首次在国内高速风洞建立了全尺寸栅格舵高速风洞试验平台,主要内容包括：风洞大载荷侧壁支撑装置设计、高速风洞模型保护装置设计、高灵敏度气动测试天平研制、模型风载条件下变形测试系统设计以及动态气动力测量与数据处理方法等。该项试验技术实现了模型气动与舵控系统以及气动与结构一体化试验验证,为栅格舵尾翼布局飞行器相关专业设计及飞行试验提供了重要试验数据。     

高超声速平板/空气舵热环境数值模拟研究

针对高超声速平板/空气舵模型开展了热环境数值模拟研究,重点分析了舵偏角δr、舵缝高度h和边界层流态对缝隙内舵轴及干扰区热环境的影响规律。研究结果表明:零舵偏状态缝隙内气流速度为亚声速,热环境可以忽略;舵面偏转时,缝隙入口气流速度和压力显著增大,在δr=5°～15°范围内,舵轴及干扰区热环境随舵偏近似线性增长;舵轴及干扰区热流随h增大呈现先上升后缓慢下降的趋势,h从5 mm增大到7mm时,舵轴热环境增加超过1倍;边界层流态对空气舵缝隙内热环境影响很大,在15°舵偏条件下,层流状态舵轴及干扰区热环境约是湍流的3～5倍,这是因为层流边界层较薄,缝隙内流速更高。     

轴承支撑的舵面热模态试验及支撑刚度辨识

对在大气层内及临近空间内长时间飞行的高超声速飞行器,其舵面的模态特性比固支的翼面更加复杂,除了与舵面自身的弹性模量及内部热应力有关外,还受到根部支撑刚度的较大影响,并且支撑刚度还将受到温度的影响。以轴承机构支撑的舵面为对象,考虑温度对支撑刚度的影响,建立了非固支的全动舵面支撑边界条件。通过设计舵面受热相同、支撑部位受热不同的加热工况,辨识出了连接面两侧温升对舵面支撑刚度的线性影响规律,并验证了辨识结果的有效性。结果表明：在舵面受热相同情况下,降低支撑部位的温升,可以有效减少舵面模态频率受气动加热的影响。研究结果可供安装此类舵面的飞行器防热设计参考。     

机动弹头的旋钮式气动舵面布局新概念研究

提出了一种全新的机动弹头气动舵面布局概念,将气动舵面与一个可旋转的圆盘基座紧密固连,通过圆盘基座的整体旋转实现舵面的偏转。这种设计完全避免了舵轴附近的缝隙加热问题,因为根本就没有舵轴;舵面与旋转圆盘基座固化为一体,也直接导致了连接强度和刚度的极大提高。气动特性和飞行性能计算评估结果表明,这种新的机动弹头气动舵面布局理念是可行的。     

Experimental investigation on aero-heating of rudder shaft within laminar/turbulent hypersonic boundary layers

The aero-heating of the rudder shaft region of a hypersonic vehicle is very harsh, as the peak heat flux in this region can be even higher than that at the stagnation point. Therefore, studying the aero-heating of the rudder shaft is of great significance for designing the thermal protection system of the hypersonic vehicle. In the wind tunnel test of the aero-heating effect, we find that with the increase of the angle of attack of the lifting body model, the increasement of the heat flux of the rudder shaft is larger under laminar flow conditions than that under turbulent flow conditions. To understand this, we design a wind tunnel experiment to study the effect of laminar/turbulent hypersonic boundary layers on the heat flux of the rudder shaft under the same wind tunnel freestream conditions. The experiment is carried out in the ?2 m shock tunnel(FD-14 A) affiliated to the China Aerodynamics Research and Development Center(CARDC). The laminar boundary layer on the model is triggered to a turbulent one by using vortex generators, which are 2 mm-high diamonds. The aero-heating of the rudder shaft(with the rudder) and the protuberance(without the rudder) are studied in both hypersonic laminar and turbulent boundary layers under the same freestream condition. The nominal Mach numbers are 10 and 12, and the unit Reynolds numbers are2.4 × 10~6 m~(-1) and 2.1 × 10~6 m-1. The angle of attack of the model is 20°, and the deflection angle of the rudder and the protuberance is 10°. The heat flux on the model surface is measured by thin film heat flux sensors, and the heat flux distribution along the center line of the lifting body model suggests that forced transition is achieved in the upstream of the rudder. The test results of the rudder shaft and the protuberance show that the heat flux of the rudder shaft is lower in the turbulent flow than that in the laminar flow, but the heat flux of the protuberance is the other way around,i.e., lower in the laminar flow than in the turbulent flow. The wind tunnel test results is also validated by numerical simulations. Our analysis suggests that this phenomenon is due to the difference of boundary layer velocities caused by different thickness of boundary layer between laminar and turbulent flows, as well as the restricted flow within the rudder gap. When the turbulent boundary layer is more than three times thicker than that of the laminar boundary layer, the heat flux of the rudder shaft under the laminar flow condition is higher than that under the turbulent flow condition. Discovery of this phenomenon has great importance for guiding the design of the thermal protection system for the rudder shaft of hypersonic vehicles.     

内喷管单元间隙对塞锥换热的影响

为了解内喷管单元间隙对塞锥换热的影响,建立塞式喷管发动机的三维计算模型,采用数值模拟的方法对不同背压不同冷却剂流量下的塞锥进行换热研究,得出不同工况下的冷却剂温升、压降以及壁面温度、压强和热流密度的分布情况,其中着重研究了内喷管单元间隙对塞锥换热的影响.计算结果表明:由于受单元间隙的影响,造成沿宽度方向上塞锥壁面的压强、热流密度和温度的大小分布不均,并且随着环境压强的降低,单元间隙的影响有减弱趋势.      

传感器表面温度对热流测量的影响

高超声速飞行器热环境测量数据一直是防热设计和考核的基准数据,也是热环境计算方法的考核性数据,其准确性至关重要。针对热流测量中遇到的传感器表面和周边防热材料温度差异而导致的测量数据偏差问题,采用基于Navier-Stokes方程的自研程序开展了详细的气动热环境数值模拟,得到了不同温差条件下传感器表面热环境的分布规律,并根据场协同理论分析了局部热流变化的成因机理,研究了影响热流变化幅值的主要因素。结果表明：①当传感器和其周边材料的温度存在一定的差异时,导致该区域近壁面流场中的压力、密度等特征量梯度增大,改变了传感器当地的法向速度和温度分布,造成了局部热流的剧烈变化。②相同来流马赫数和高度下,来流攻角主要影响法向速度的分布,从而影响气动加热量,攻角越大,相同温差下加热量上升的幅度越小;来流总温主要影响法向温度梯度的分布,从而影响气动加热量,来流总温越大在相同温差条件下加热量上升幅度越小。所开展的研究工作可加深对传感器局部热环境分布规律的认识,避免对测量热流的误判,提升数据判断和分析的可靠性。     

A swept fin-induced flow field with different height mounting gaps

In order to apply the air fin successfully and ensure the maneuverability of hypersonic vehicle, a key problem to be studied urgently is the heat flux brought by the fin mounting gap. The appearance of mounting gap and fin shaft can induce many complex flow structures which need more attentions to be investigated. Under Ma 6, Nano-tracer-based Planar Laser Scattering (NPLS) and Temperature Sensitive Paints (TSP) were applied to visualize and measure transient flow structures and heat flux distribution of a swept fin-induced flow field with different height mounting gaps. Complementarily, Reynolds-averaged N-S equations were solved with k-ω SST turbulent model. The heat flux distribution results of numerical simulation and TSP observed the change of high heat flux region with different mounting gap, both in position and magnitude. The streamlines based on Computational Fluid Dynamics (CFD) and flow visualization results obtained by NPLS revealed the cause of high heat flux region. The high heat flux region in this flow field is mainly related to the reattachment of vortex and flow stagnation. The increase of gap height can lead to stronger gap overflow and shaft-induced horseshoe vortex, which are source of the high heat flux around the fin. The case with the highest mounting gap (4 mm) en-counters the most severe aerodynamic heating, both on the surface of fin and plate. Thus, under the premise of ensuring the flexibility of the fin, the gap should be set as small as possible.     

再入飞行器烧蚀热防护一体化计算方法

针对再入飞行器烧蚀热防护系统烧蚀与瞬态温度耦合响应预测问题,提出了一体化计算方法,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供包括气动热、烧蚀后退、瞬态温度响应在内的动态响应预测依据。该方法采用Sutton-Graves和Tauber-Sutton理论计算驻点的对流热流和辐射热流,通过表面能量平衡整合具有较高精度的烧蚀模型,并通过Landau变换简化烧蚀后退带来的节点删除过程并保证空间离散精度,最后求解瞬态有限差分热传导方程获得烧蚀热防护系统的热环境、烧蚀过程和温度响应。通过对比计算碳-碳材料钝头体地球再入过程和酚醛浸渍基碳烧蚀体（PICA）材料电弧风洞烧蚀模拟,对该方法对于不同材料体系的适用性进行了验证。计算结果表明：对于密度较高的碳-碳材料,本文计算结果与经典的热平衡积分法吻合较好,偏差在7%以内;而对于低密度材料（如烧蚀性能对压力高度敏感的PICA材料）,随着热流和压力的增大,预测偏差逐渐增大。所提出的方法实现了气动热、烧蚀、瞬态温度响应耦合过程的一体化计算,在保证精度的前提下实现快速计算分析,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供依据。     

锯齿扁管内沸腾换热试验

建立以等热流密度方式进行试验件加热的沸腾换热试验系统,分别对当量直径为1.28mm和1.59mm锯齿扁管内R134a工质的沸腾换热特性进行研究,试验参数范围:制冷剂质量流率为68.5~305.5kg/(m2·s),工作饱和压力为0.27~0.46 MPa,加热热流密度为9~42kW/m2。试验结果表明:相同结构的通道,当量直径小换热能力更强;热流密度和饱和压力对沸腾换热的影响与一个干度值有关。当干度小于此值时,沸腾换热系数会随着热流密度及饱和压力增大而增大;而当干度大于此值时,沸腾换热系数随着干度增大而急剧下降,热流密度和饱和压力对换热的影响较小;该干度值会随着热流密度或饱和压力增大而逐渐变小。质量流率对沸腾换热的影响与热流密度有关,随着热流密度增大,质量流率的影响趋向大干度区域。通过分析各参数对沸腾换热的影响,建立了一个预测试验工况下微小尺寸锯齿扁管的沸腾换热系数计算经验公式。     

再入飞行器鼻锥逆向喷流对流场及气动热的影响

 使用计算流体力学（CFD）方法研究逆向喷流热防护系统对降低再入飞行器鼻锥物面热流的效果,获得了流场参数,回流再附点位置,物面压力分布以及热流分布。分析了逆向喷流对降低物面热流的物理机理,喷流通过与来流相互作用形成马赫盘,将来流导流到四周,不与物面直接作用形成气动加热,同时喷流回流形成低温区,降低物面与接触气体的温差,进而降低了物面热流。随着总压比率增大,这种效果越明显,气动加热越轻。为更合理分析喷流强度对流场及传热量的影响,将总压比率和流量相结合,提出了新的参数R PA。分析该参数的应用效果,结果发现不同的流量与总压比率组合成相同的参数R PA,可以实现相同的激波位置、再附点位置、表面热流峰值位置和总传热量。这说明该参数可用于表征喷流强度,用以分析喷流对流场及传热量的影响。     

狭窄空间内沸腾的几个特征

将石英或瓷质板用电热膜技术加工成加热板。将两块加热板对称地放入饱合氟利昂－１１３（Ｒ－１１３）中形成竖直窄通道。对通道内沸腾的始沸点、流型和传热规律等基本特性进行实验研究。结果表明：始沸热流随加热板通道间距减小而降低;沸腾流型与加热过程、通道间距等因素有关;存在最佳传热通道间距;最后提出小通道内始沸热流、传热规律的半经验关系式。     

类乘波体防热壁板气动加热-温度场耦合特性分析

针对类乘波体防热壁板,采用松耦合算法推进气动热和传热迭代计算,研究气动加热-温度场的耦合特性.结果表明:在壁板达到辐射平衡前,冷壁热流和辐射平衡热流与真实气动加热的误差分别达+55.1%和-15.4%以上,必须将气动加热和温度场进行耦合分析;当地绝热壁面温度不随时间变化,表面传热系数是耦合效应的关键参数;采用平均表面传热系数进行瞬态气动加热-温度场耦合计算只进行2次气动加热计算,壁面温度预测误差在2.5%以内,可有效提高气动加热-温度场耦合计算的效率.