高超声速飞行器构型的数值模拟、试验研究与优化设计

综合升力体和乘波构型的气动性能优势,发展了一种高超声速飞行器前体气动构型的设计方法。运用该方法参考某高超声速飞行器气动布局方案,设计了一种高超声速飞行器气动布局。对该类高超声速气动布局进行了数值模拟、优化设计和试验研究;并研究了该类气动布局在高空飞行时,稀薄气体效应对气动性能的影响。数值模拟结果表明：构型前体预压缩面能够将高压气体封闭在构型下表面,实现了乘波构型的设计概念;优化设计结果表明,对于该构型宽展比应在0.4~0.6之间,通过优化升阻比至少有3%~5%的提高余地。对DSMC算法的碰撞模型和有效碰撞次数进行了改进,发展了临近空间飞行器气动性能模拟软件。研究结果表明,在临近空间区域,该类气动布局的升阻比特性略有下降,但仍旧保持了高升阻比的气动优势。     

高压捕获翼构型跨声速流动特性初步研究

高压捕获翼是一种可以在高超声速条件下同时获得高升阻比、高容积率和高升力系数的新型布局概念。为初步分析该类新型布局的宽速域气动特性,以一种圆锥-圆台体组合高压捕获翼原理性构型为计算模型,以典型跨声速条件(马赫数0.92、0°攻角)为计算工况,进行了计算和分析。流场分析结果表明,在跨声速流动条件下,机体与高压捕获翼之间存在比较强烈的气动干扰,且干扰的强烈程度与高压捕获翼-机体间的垂向距离大小直接相关。与不带捕获翼的参考构型相比,增加捕获翼会导致机体尾部分离区范围增大,并在机体与捕获翼之间的开放通道内形成类似于变截面收缩管的流动,致使沿流向方向出现了明显的激波串,进而导致捕获翼下表面壁面压力出现较为明显的波动。同时,由于机体和捕获翼间的垂直距离沿展向方向逐渐增加,导致该波动在对称面附近最为剧烈,然后随展向位置逐渐增加,压力波动逐渐减弱。     

新概念融合升力体气动布局设计优化方法研究

参考国内外高升阻比飞行器气动布局设计经验,针对进出空间飞行器的气动特性要求,开展跨速域高升阻比融合升力体气动布局(BLB)研究以适应进出空间飞行器的各种要求,在传统的翼/身外形的气动效率与纯升力体高容量效率之间寻求平衡。研究表明通过构建融合升力体数模,研究气动外形的系统参数化描述方法,选择设计变量及变化范围,研究优化算法,建立融合升力体气动布局设计及优化工具,开展融合升力体气动外形优化设计是一种值得深入探讨的研究方法。本文主要通过优化平台集成数模参数化程序、网格自动化及基于Euler方程的快速流场求解程序进行优化设计并对优化结果进行分析计算,发展了一种快速有效的气动布局优化设计方法,设计了初步满足设计要求的新型高升阻比融合升力体气动布局。设计的新布局能为再入飞行器气动布局设计提供参考,所发展的优化设计方法计算速度快,成本低,可以为走向工程实用化的复杂外形气动布局优化设计打下技术基础。     

串列翼飞行器机翼耦合特性研究

串列翼飞行器由于其前后翼以及机身之间的相互干扰,气动特性复杂且难以预测。针对一款串列翼飞行器,以前后翼之间的垂直距离为变量,设计了五种气动布局,并使用CFD方法进行了数值模拟计算。通过对五种布局升阻特性与俯仰特性的比较及分析,发现前后翼垂直方向距离会显著影响整机升阻比、俯仰稳定性、气动中心位置以及压力中心位置。两翼间垂直方向上的距离越大,飞行器升阻比越高,且气动中心更加靠后。而在两翼间距离相同的情况下,前翼在下的布局拥有更高的升阻比,而前翼在上的布局拥有更好的俯仰静稳定性。     

浮升一体化飞艇高升阻比新型布局研究

高升阻比设计是浮升一体化飞艇研制中亟待解决的关键难题,艇身是决定全艇升阻比高低的关键部件。针对飞艇高升阻比布局设计的难度及复杂约束性要求,有效结合艇身精细化气动设计、流动控制和升力体理念,引入高精度气动数值模拟等多种手段,探讨构建中央翼+边条耦合、中央翼+端板融合等多种艇身新布局形式,揭示关键几何参数表征与高升阻比特性的影响关系,获得具有高升阻比特征的浮升一体化飞艇艇身新型布局形式。结果表明：与传统混合飞艇艇身构型相比,在保证艇身体积不变和艇身宽度适当控制的前提条件下,中央翼+边条增升耦合艇身构型可提高最大升阻比约77% 以上;中央翼+端板式融合艇身构型可实现最大升阻比值由2.13 提高到3.95 以上,至少提高了85.4%。     

翼反角对高压捕获翼构型高超气动特性的影响

为研究翼反角变化对高压捕获翼构型高超声速气动特性的影响，基于一种双翼面、单支撑、翼身组合布局的高压捕获翼概念构型，以飞行马赫数6，飞行高度30 km为计算状态，捕获翼和机体三角翼上/下反角为设计变量，结合均匀试验设计方法、数值模拟方法和Kriging建模方法，探寻了升阻特性、纵向和横航向稳定性随翼反角的变化规律。结果表明，升力、阻力及升阻比随翼反角的变化规律基本一致，且对上反角变化更加敏感；小攻角时，翼面上反会明显降低升阻比，而下反会使升阻比先略微增大后缓慢减小；大攻角时，翼反角对升阻比的影响较小；纵向稳定性主要受三角翼反角的影响，三角翼上反时，纵向稳定性降低，下反时，纵向稳定性基本不变；翼面上/下反都会提高航向稳定性，但下反的效果更明显；翼面上反会提高横向稳定性，下反则降低，但大攻角飞行时，三角翼上反角过大可能会导致横向稳定性降低。     

流场波系引导的三维消波翼优化设计方法

为提升高超声速飞行器的升阻比,一种重要设计思想是让飞行器各组件的激波、膨胀波产生有利的相互作用,获得增升、减阻的效果。基于上述设计思想的高升阻比构型通常根据无黏二维/轴对称流场的激波-膨胀波关系设计。由于三维效应与空气黏性的影响,其实际性能相比理想设计性能往往存在较明显的退化。针对上述问题,提出流场波系引导的优化设计方法。不同于以气动性能指标为目标的传统优化方法,该方法以设计流场的波系形态为目标引导几何参数的优化方向。设计方法在一种主翼、上翼产生有利干扰的三维消波翼的设计中得到应用验证。通过将优化构型的流场、气动性能与根据二维无黏方法设计的初始构型对比,证明了优化设计方法的有效性。通过与菱形翼对比,验证了消波翼在设计工况下相比于常规构型的升阻比优势。     

乘波构型钝化方法分析及性能研究

基于乘波构型设计高升阻比飞行器是新型高超声速飞行器布局设计的一种有效途径。受热防护系统设计和材料加工工艺等限制,实际应用中需要对乘波构型具有的尖前缘进行钝化。本文针对移除材料和增加材料两种边缘钝化方法进行了对比研究,分析了两种方法的共同点,并采用典型外形阐明了这一共性。在此基础上,基于移除材料方法对典型外形进行了一致钝化和非一致边缘钝化,利用CFD方法对两种钝化外形气动性能进行了仿真分析。流场计算表明:和一致边缘钝化相比,非一致边缘钝化有效降低了下表面高压气体向上表面的渗透,提高了外形所受的升力,降低了边缘所受的阻力,从而提高了钝化外形的升阻比;尖前缘乘波构型最大升阻比位于零度迎角,而钝化之后乘波构型最大升阻比在2°迎角附近取得;随着迎角的增大,钝化外形升阻比变化趋势和尖前缘外形变化趋势一致,非一致钝化乘波构型气动性能和尖前缘乘波构型气动性能较接近,非一致钝化方法得到外形的气动性能优于一致钝化外形。研究可为高超声速乘波飞行器的钝化修形设计提供参考依据。     

高超声速乘波构型气动特性数值模拟研究

乘波构型是突破常规"升阻比屏障"的有效途径,已成为高超声速飞行器设计的一种重要参考.在锥导和吻切锥乘波构型生成方法分析的基础上;针对两种设计外形开展了无粘和有粘气动性能的数值分析,获得了基本的气动性能参数.计算结果表明:锥导和吻切锥乘波构型不仅在设计状态下具有良好的升阻比特性,而且在较宽范围非设计状态下仍然具有良好的升阻比特性.锥导乘波构型容积率高,结构紧凑,可作为无动力滑翔式飞行器的设计参考;吻切锥乘波构型底部流动均匀,且外形调整方便,是超燃动力飞行器机身/进气道一体化构型的良好参考.     

吸气式高速飞行器一体化方案：回顾与展望

通过梳理吸气式高速飞行器一体化发展脉络，回顾和分析了技术验证、实用化和未来重复使用阶段飞行器一体化方案的主要研究内容和关键进展。在技术验证阶段，设计者针对轴对称构型和升力体构型提出多种一体化方案及对应设计方法，有力支撑了高速飞行技术验证，丰富了一体化设计理论。在实用化阶段，高速飞行技术工程应用对一体化提出严苛的约束，一体化主要解决流量捕获、设备装载和升阻比之间的矛盾，逐渐形成腹部进气布局一体化方案。针对未来重复使用飞行器，更多样的动力模式、更复杂的气动外形对一体化设计提出更高要求，高效、宽范围的动力系统、高度一体化的翼身融合构型、更优的进气布局方案是吸气式高速飞行器一体化设计的重要发展方向。