高超声速平板近空间气动特性的计算分析研究

采用DSMC方法对二维小尺度平板在近连续流至自由分子流区域、攻角为0°～30°下的高超声速气动特性进行计算分析,旨在探索高超声速飞行器在近空间空域内气动特性的变化规律和影响因素.结果表明,升阻比随努森数、马赫数的增加单调下降,相对比来说,马赫数对升阻比的影响不是很明显,而努森数的影响比较明显.特别针对摩阻特性进行了分析,在马赫数10、高度55～110km、0°攻角时摩阻在总阻力中所占比重高达60%以上.随着攻角的增加,由于波阻的急剧增加导致摩阻所占比重下降.在10°攻角下,摩阻在总阻力中所占比重约为45%～70%.30°攻角时摩阻在总阻力中所占比重则下降为12%～50%.同时还发现,在近自由分子流区域中,0°攻角时阻力系数随着马赫数的增加而下降,在有攻角时该马赫数效应呈现减弱趋势.     

燃气作动筒弹翼展开负载模拟装置研究

以某型号折叠翼的展开为背景,设计弹翼展开负载模拟装置,模拟展开时弹翼的升力负载和阻力负载。通过对此套装置的测试、验证,证明该模拟方法简单、有效,能够真实地模拟不同飞行攻角条件下的气动载荷。在燃气作动筒的设计过程中,能有效地缩短燃气作动筒的设计周期并降低研制成本。     

降落伞强度空投试验模型的气动–动力学特性仿真

降落伞强度空投试验模型的气动-动力学特性仿真研究对空投试验方案设计和降落伞减速系统性能的考核至关重要。文章运用数值模拟手段分析了空投试验模型的气动特性和气动稳定性,探讨了降落伞开伞前空投试验模型的弹道轨迹和运动姿态的变化,并针对不同飞行攻角下空速管动压测试值与实际开伞动压存在相对偏差所造成的影响进行了分析。结果表明:空投试验模型的轴向力系数在攻角大于4°时有所下降。法向力系数和俯仰力矩系数随着飞行攻角增加以近似线性的方式增大,压心位置后移,气动稳定性良好。在模型投放后至降落伞开伞前的过程中,随着高度下降空投试验模型的速度以近似线性的形式增大,且俯仰角和攻角均存在周期摆动现象。由于飞行攻角的影响,空速管测得的动压值与开伞实际动压存在相对偏差,但相对偏差范围不会超过14%。研究结果可以为降落伞强度空投试验的方案设计提供参考。     

机械式可展开气动减速技术跨亚声速段二次展开

文章提出了采用沿辐条方向增加伸缩杆、柔性承力罩及弹性单元的方式实现机械式可展开气动减速技术二次展开的结构方案,并针对二次展开气动外形分别从弹道轨道、升阻比及俯仰力矩系数等方面开展了跨亚声速段减速效果、升阻特性及静稳定性研究。研究显示:二次展开状态的减速效果明显优于一次展开状态;二次展开状态的升阻比随攻角及马赫数变化规律与一次展开状态一致;小攻角范围内两状态的升阻比变化不大,大攻角范围内两状态的升阻比差异明显;二次展开状态在跨亚声速段存在唯一的静稳定点,且该点的静稳定性强于一次展开状态。研究表明:机械式可展开气动减速技术采用二次展开方案能够实现在跨亚声速段继续减速和姿态稳定的目的,二次展开方案在机械式可展开气动减速技术上的应用具备工程可行性。文章为机械式可展开气动减速技术二次展开方案工程化实施奠定了基础。     

轨控喷流干扰气动-运动一体化非定常数值模拟

针对运动条件对反作用控制喷流控制气动干扰的影响,基于雷诺平均N-S方程,建立非定常气动--运动一体化方法,通过计算流体力学(CFD)/刚体动力学(RBD)耦合求解,对一种采用轨控喷流直接力控制的锥柱裙外形进行了数值模拟,研究了干扰流场结构、力和力矩与飞行器状态随时间变化特性,分析了运动非定常计算和定常计算的对比结果以及外流参数(马赫数,攻角等)变化对气动运动特性的影响。研究结果表明：轨控喷流使飞行器运动时存在强烈的非定常特性,定常计算的法向力放大系数和干扰俯仰力矩大于运动非定常计算结果。     

变结构近空间飞行器大飞行包络控制特性研究

针对近空间飞行器大包络、多任务模式飞行运动,结合通用高超声速飞行器确立了近空间飞行器不同飞行阶段的机体结构,详细建立了气动参数由攻角、马赫数与控制舵面偏转最表示的12状态动力学方程,绘制了不同飞行阶段气动参数随攻角、马赫数的变化曲线,建立了近空间飞行器的大包络运动控制模型,而后研究了不同机体结构与飞行状态下的控制特性和各通道耦合性质,表明该系统可以有效用于全程强鲁棒稳定飞行控制系统的设计与仿真测试,充分体现了近空间飞行器非线性、时变、耦合等飞行运动特点,仿真验证表明了研究结果符合现有分析结果.     

减小导弹超声速大攻角斜吹力矩的边条布局及其原理分析

针对正常式布局导弹外形,在保证其它气动性能不变的情况下,提出了一种减小超声速大攻角情况下斜吹力矩的边条布局,使该类导弹在大攻角下实现极高机动能力成为可能。以计算流体力学为主要手段,分析了此种边条布局减小斜吹力矩的作用原理,即边条对翼面局部流场的干扰影响了翼面压力的分布与大小,从而使得翼面的滚动力矩降低。
     

高超声速飞行器攻角特性数值研究

采用二维耦合隐式欧拉方程对高超声速飞行器内定常无粘流场进行了数值仿真,离散采用二阶迎风格式,分析了攻角变化(-10°~7°)对高超声速飞行器分别处于进气道关闭、发动机通流及发动机点火3种不同工作状态下飞行性能的影响。结果表明,当攻角在-10°~7°之间变化时,飞行器的升力系数和升阻比都是随着攻角的增大而不断增加;而俯仰力矩系数却是随着攻角的变化,先增大后减小;在进气道关闭时,随着攻角的不断增大,飞行器的阻力系数亦不断增加,在其他2种工作状态下,随着攻角的增大,飞行器的阻力系数是先减小,后增加,且变化较缓慢,但阻力系数在3种工况下总的趋势是随着攻角的增大而增大。     

旋成体在无侧滑大攻角下的横向气动力特性

介绍具有尖锥头部细长旋成体（以下简称弹体）在无侧滑下横向气动力随攻角变化特性，其中包括尖锥头部顶角、旋成体长细比、初始滚转角、试验雷诺数诸参数对横向气动特性的影响。还介绍美国ＮＡＳＡ的一篇综合研究报告的部分结果。试验结果表明，在低亚音速下，弹体气动特性对上述诸参数反应极为敏感，有时呈现随机特性。头部加边条、减小长细比或在后体装尾翼，将有助于减弱横向气动力。采用弹体旋转飞行技术，虽然产生Ｍａｇｎｕｓ侧向力，但有效地克服了气动力的随机性。     

新型宽速域高超声速飞行器气动特性研究

为设计一种新型宽速域滑翔飞行器,基于无粘锥导乘波设计理论,设计了Ma=4和Ma=8状态下的乘波构型,并将其进行"串联"拼接,得到一类新型宽速域乘波飞行器。采用数值模拟方法对此类飞行器的气动特性进行了研究,得到其流场特征和气动特性。结果表明,采用新型"串联"高超声速乘波飞行器,其气动性能在宽速域范围内比单马赫数条件下的乘波飞行器气动性能更优。"串联"乘波体的升阻比随马赫数的增加而变大,当Ma>8时,其气动特性变化不明显,最大升阻比接近3.2,在设计马赫数范围内,升阻比不低于2.6。升阻比随攻角的增加先变大后减小,在3°攻角时升阻比最大。在Ma=6时,基准模型-1的最大升阻比为4.714,"串联"乘波体的升阻比达到3.48。     

大攻角翼面超声速热颤振分析

分析了大攻角超声速翼面气动加热条件下的热颤振。根据模态叠加法建立颤振运动方程,用当地流活塞及小扰动线性化理论分别计算超声速区和亚声速区的非定常气动力,状态空间法与Runge-Kutta法结合仿真求解结构动响应。给出的两个工程实例计算结果表明,该方法计算精度可满足工程要求。另外还讨论了气动加热效应对颤振的影响。     

潜射导弹大攻角空化流动特性计算研究

潜射导弹水下高速运动时,弹体表面的空化现象对导弹的受力及力学环境有重要影响。通 过数值模拟,对大攻角情况下空化流动的特性进行研究,计算结果与试验值吻合较好, 验证了数值算法的准确性。得到弹体表面的压力分布情况,获取了不同攻角下空泡的不同形 态,分析了不同攻角、空泡数对弹体受力的影响。     

真实气体效应对高超声速轨道器气动特性的影响

基于一个7组元6反应动力学模型，采用NND差分格式求解化学反应Navier-Stokes方程，数值研究高超声速轨道器的绕流特性。重点讨论了轨道器气动特性在真实气体效应作用下对不同来流状态和不同舵偏角的敏感性。研究表明：真实气体效应主要发生在物面附近很薄的激波层内，缩短了激波的脱体距离，使激波层变薄，流动变量的梯度变大；空气的离解和电离导致轨道器的阻力系数比完全气体计算值低，压心位置前移。小攻角下，升力系数和俯仰力矩系数的真实气体计算值高于完全气体计算值，大攻角情形则相反。此外，小攻角时真实气体效应产生小低头力矩，而大攻角时产生小抬头力矩。单就舵面而言，真实气体效应使其阻力系数增大，使其升力系数和俯仰力矩系数在小攻角且非负舵偏角时变小，在大攻角且负舵偏角时变大。特别地，真实气体效应仅在零攻角且零舵偏角时对舵面的压心位置产生较大影响。     

导弹大攻角中的一个气动问题

首先提出了导弹大攻角中一个值得重视和深入研究的气动问题，即导弹“X字型”状态下M数2．0附近俯仰力矩存在较严重的非线性问题；接着对此问题进行了初步的分析和讨论。通过对十字翼轴对称导弹气动外形“ X”矛盾固有性的阐述，揭示了“ ”、“X”状态下全弹气动特性差异的主要原因；通过对“X字型”状态下M数2．0与M数3．0气动特性差别的分析，表明了M数2．0附近气动力非线性严重的几个主要影响因素；论述了mz非线性与导弹极限攻角的关系以及影响α*的主要因素，并提出增大α*的综合改进措施。     

单通道控制的旋转弹锥形运动稳定性研究

锥形运动是旋转弹角运动的基本形式,其稳定性问题一直是旋转弹领域的研究热点。以一对鸭舵作用下的单通道控制旋转弹为研究对象,给出了弹体坐标系下的线性化角运动模型,通过数值仿真,揭示了一对鸭舵带来的气动不对称对其角运动特性的影响规律。利用劳斯判据,给出了解析形式的锥形运动稳定条件,该条件可等效为锥形运动稳定条件下的转速范围,不同转速下的仿真结果证明了该稳定条件的正确性。在相同的转速条件下,正弦式鸭舵的控制频率在慢模态衰减频率附近时,可诱发强烈的共振不稳定。研究结果可为一对鸭舵作用下的旋转弹总体设计及制导控制系统设计提供参考。     

自旋导弹飞行共振稳定性研究

弹体滚转时,结构不对称等因素会对导弹的角运动产生周期性的强迫干扰。针对自旋导弹飞行过程中的周期性干扰和非线性气动特性,建立了非线性弹体角运动模型。在此基础上,采用多尺度法对自旋导弹的受迫角运动方程进行了求解,得到了近似解析解并研究了其稳定性。研究表明,当弹体转动速率接近固有频率时,气动非线性项及干扰项都将影响弹体角运动的稳定性;分析结果显示,合理地设计气动外形可避免共振不稳定的发生,这对自旋类导弹的工程研制具有一定的指导性意义。     

返回舱动稳定特性风洞试验的影响参数

再入飞行器需要大阻力减速而采取钝锥外形,这种气动布局外形的飞行器动稳定风洞试验结果易受到质心位置、尾迹干扰和极限环运动等因素的影响。通过风洞试验研究了不同质心位置、不同支撑方式下尾迹干扰对返回舱配平角和动稳定性的影响,以及不同稳定模态下,试验方法对试验结果的影响。指出了在动稳定风洞试验中必须精确模拟返回舱质心位置,在大攻角状态下采取弯支杆支撑方式减少尾迹干扰,并针对极限环运动,采取轴承一滑块大振幅自由振动试验,才能得到正确的返回舱动稳定特性。     

大长径比卷弧尾翼火箭弹气动特性数值研究

采用CFD方法对大长径比卷弧尾翼火箭弹流场进行了模拟,对比风洞实验数据,验证了数值方法可靠性.对比单个弹体和翼身组合体的气动特性,得到了卷弧尾翼对全弹气动特性的影响.利用正交设计方法,建立以卷弧尾翼6个几何参数为因素的正交数值实验表,得到卷弧尾翼几何参数对各个气动系数的影响.分析零安装角卷弧尾翼在超音速下零度攻角时流场,指出翼面压力分布差异,得到自诱导滚转力矩产生机理,同时分别指出超音速时其随攻角、曲率半径、展弦比和马赫数的变化趋势.     

采用弱攻角补偿与脱敏设计的火星进入段制导

为提升火星进入段存在多种扰动时的制导末端精度,在现有三自由度脱敏设计的基础上,提出针对大气密度及升阻力系数波动的弱攻角补偿方法。通过攻角调整,协调升、阻力加速度测量值相对理论计算值的偏离程度,使加权形式的偏离程度指标趋近于1,从而降低气动参数波动对制导精度的影响。相平面分析和反证法证明了攻角调整过程的稳定性。蒙特卡洛仿真结果表明,该方法可达到较高的纵向末端状态精度。     

再入弹头大攻角俯仰运动的非线性状态反馈控制

为提高大攻角飞行时具有非线性特性的姿态系统的控制精度,在弹头俯仰运动的非线性数学模型基础上,以弹头攻角为被控制信号,尾翼偏角指令为输入信号,设计了一种全状态反馈非线性姿态控制律,并进行了仿真试验。结果表明,所设计的控制律的稳态精度高、动态响应快。