航天飞机再入大气层三维机动飞行的最大过载和热流峰值

本文研究了航天飞机再入大气层三维机动飞行时所产生的最大过载及驻点的热流峰值,提出了一种计算最大过载及热流峰值的解析方法。在一阶近似运动方程的基础上,建立了最大过载、热流峰值与航天飞机的升阻比、再入角、滚转角等参数之间的解析关系式,由之可简便地确定最大过载与热流峰值。文中分析了升阻比、再入角等参数对过载和热流的影响,并与再入三维轨道精确解的相应值作了对比,表明此种解法具有一定的精度,可供再入三维轨道特性的分析及航天飞机的初步设计阶段使用。     

小升阻比载人飞船返回舱的外形设计

载人飞船返回舱的外形设计要满足稳定性、操纵性、配平升阻比、最大过载、最大热流、最大总加热量、机动能力、着陆精度和容积系数等要求。小升阻比返回舱的形状以球冠倒锥形为最优。文中简要地介绍了返回舱外形的选择方法，对球冠钝度、倒锥角、大头拐角相对曲率半径、长细比和最大横截面直径等主要参数的选择作了研究，得出了定性与定量的分析结果。     

月球返回舱跳跃再入弹道特性分析与优化设计

对月球返回舱跳跃再入大气层的初始再入段弹道特性与过载约束下轨迹优化问题进行了分析。首先介绍了跳跃再入的基本概念与优点,对不同再入角、不同升阻比情况下初始再入段的弹道特性进行了分析。然后采用庞特里亚金极大值原理以总吸热量最小为优化目标,对过载约束下再入轨道的初始再入段进行了优化设计,给出了升力系数的最优表达式。仿真研究表明,该方法能有效地降低飞行过程中的过载。     

小升阻比载人飞船返回舱的配平气动特性

本文主要介绍小升阻比载人飞船返回舱的配平气动特性。研究表明，采用返回舱重心横编的方法，在保持对静稳定性的要求下，可以获得飞行轨迹机动控制所需的配平升阻比。返回舱飞行试验的配平气动特性可从舱内惯性平台的加速度和姿态记录数据以及轨道数据求出。风洞试验的配平气动特性数据与飞行试验结果比较之后发现，以往风洞试验得出的马赫数大于６后，返回舱的配平气动特性基本不变的结果未被飞行试验所证实。在高超声速下，随着马赫数的增大，飞行试验得出的配平攻角和配平升阻比基本上呈线性减小。返回舱的静稳定性数据表明，有时会出现不希望的第二配平点。消除该第二配平点的主要方法是进行外形修改设计和在返回舱小头上加装调整翼片。     

小升阻比载人飞船返回舱的空气动力特性

本文介绍了球冠倒锥形返回舱的外形母线方程、特征点参数和气动性能。用修正牛顿理论对返回舱的气动系数进行了计算预测并与现有的实验数据作了比较。对现有的阿波罗、双子星座和联盟号三种小升阻比返回舱的气动系数进行了给定、分析和评述。     

地面效应下的不同翼型亚声速气动特性分析

采用数值方法研究了亚声速地面效应条件下不同翼型的气动特性,进一步以Ma=0.5来流工况为例,研究了翼型参数和飞行高度对气动特性的影响。计算结果表明在Ma为0.5、迎角为6°的地效情况下,翼型弯度减小,更容易在翼型前缘产生激波阻力;翼型下翼面后缘弯度增大使得后缘压力更高,升力系数和低头力矩相应增大;随着飞行高度的减小,地效作用加强,翼型下翼面压力增大,下翼面的升力增量大于上翼面吸力损失,机翼升力系数和升阻比增加越来越显著。     

跳跃式返回航天器落点预报技术研究

建立了航天器再入动力学模型，提出了使用动能定理计算再入航天器质阻比和升阻比的方法。针对着陆场系统无法获取返回舱升力控制模型的实际情况，提出了一种使用理论机动弹道进行修正的再入航天器航迹预报算法；使用“嫦娥五号”再入段实测数据进行验证，结果显示本文算法显著提高了跳跃式返回航天器落点预报精度。     

翼型加装格尼襟翼的低雷诺数气动特性实验研究

为了研究低雷诺数下格尼襟翼对翼型气动特性的影响,通过风洞试验研究了Eppler387翼型加装0.5%~5.0%弦长高度格尼襟翼后的气动特性变化,试验雷诺数1.49×105~2.31×105.试验结果表明:低雷诺数下Eppler387翼型加装格尼襟翼后,升力系数和力矩系数明显增大,襟翼高度大于2%弦长时阻力系数显著增大.格尼襟翼在高升力系数下能够起到增大升阻比的作用,适用于微小型飞行器工作在大载荷状态,而0.5%弦长高度的襟翼还能够兼顾中小升力系数下的气动效率,同样适合于微小型飞行器在巡航状态使用.与原翼型相比,加装襟翼后最大升阻比对应的迎角提前,随襟翼高度的增加,翼型升阻比曲线峰值变得不再突出.     

基于CFD/CSD大展弦比复合材料机翼的气动弹性分析

高空长航时无人机在飞行过程中受气动力的影响,机翼产生弯曲和扭转变形,这种弹性变形将严重影响飞机的飞行性能和飞行安全,不能将这种飞机机翼当作传统的刚性机翼进行气动分析。针对一大展弦比复合材料机翼,采用气动/结构耦合的分析方法,利用计算流体力学(CFD)软件FLUENT和计算结构动力学(CSD)ABAQUS联合求解,研究了大展弦比复合材料机翼在不同攻角下和复合材料的各向异性对机翼气动特性的影响。结果表明,大展弦比复合材料机翼受载变形之后机翼的升力系数,升阻比都比刚性体机翼略小,但是随着攻角的增加,弹性体机翼升力系数增加较快,甚至会超过刚体机翼的升力系数。调整机翼蒙皮处的碳纤维铺层角,气动特性变化明显,当铺层角在±45°时机翼扭转刚度达到最大;升力系数和升阻比达到最大。     

流向入射涡与后翼相互作用分析

涡翼互作用现象影响航空运输编队飞行的效益和配对进近的安全。采用数值模拟方法,针对无入射涡影响的后翼以及稳定状态下的入射涡位于后翼3个典型展向位置共4种情况,研究入射涡与后翼的相互作用。对比分析了基于Q准则的三维涡量、不同流向位置的涡量,以及后翼吸力面静压系数、气动参数和滚转力矩系数等。研究结果表明:稳定状态下的入射涡在后翼外侧时,翼尖涡受上洗运动影响;在内侧时,受下洗运动影响。两种情况下,翼尖涡强度均受到抑制。入射涡越靠近后翼翼尖,后翼升力系数、升阻比、滚转力矩系数越大,且在其与后翼翼尖重合时都达到最大值。这一结果可为编队飞行和配对进近的前后机布局提供参考。     

载人飞船返回舱的再入气动环境

本文介绍了载人飞船返回舱的再入走廊和气动环境。为了确定返回舱的自由流条件和驻点区条件，其再入轨迹和再入走廊是十分重要的。返回舱在再入大气层时会发生很高的马赫数和驻点温度，此时空气不再呈完全气体状态，而会发生分子振动、离解和电离等现象。返回舱再入时的马赫数、雷诺数、克努曾数、驻点压力和驻点温度等参数的变化范围很大，由于这些参数的变化，在返回舱的再入流场中会发生真实气体效应、粘性效应和低密度等效应。在估计这些效应对返回舱气动特性的影响时，必须先弄清返回舱的再入气动力和气动热环境。     

载人飞船返回舱的气动热流率分布

高超声速有攻角钝头轴对称体的载人飞船返回舱的热流率计算，目前已有很多方法。迎面球冠的对流加热率可由风洞试验结果和Ｌｅｅｓ及Ｄｅｔｒａ－Ｋｅｍｐ－Ｒｉｄｄｅｄ等的驻点热流理论作较好预测。拐角圆环区是返回舱上加速流最剧和气动加热最严重的地方。试验结果表明迎风倒锥附着流表面的热流率和背风倒锥分离流表面的热流率分别比零攻角驻点的热流率的１５％和５％还低。     

载人飞船返回舱的烧蚀防热

载人飞船返回舱的烧蚀热防护技术研究和试验表明，碳化烧蚀材料是再入飞行器最有效的热防护层。对典型的碳化烧蚀体的热性能的预测分析模型和计算方法作了阐述。数值计算结果分别与电弧风洞试验和阿波罗的飞行验证试验作了比较，结果符合得很好。     

航天飞机再入大气层最优轨迹

本文研究航天飞机再人大气层最小气动加热的最优轨迹。文中考虑了地球自转的影响和气动加热、动压、过载对再入飞行的限制。在地心非惯性坐标系中,采用球面速度坐标系建立运动方程。再入点的运动参数是在惯性计算系中给出的,故地心非惯性系的再入参数是经过惯性计算系到非惯性计算系的转换而获得的。文中最优轨迹的性能指标采用气动加热量的最小值,最优轨迹的求解方法采用非线性规划法,即将控制变量参数化,把泛函的极值问题转变成函数的极值问题进行求解,因而可以利用函数优化方法的标准程序进行计算。本文在性能指标中引进了罚函数,并采用Powell方法求解无约束的最优化问题。文中进一步用运动参数描述控制变量,这不但便于初值的选择,而且还便于考虑一些参数变化规律的要求。本方法使用方便,计算结果稳定可靠。     

再入飞行器目标特性建模研究

再入目标的光辐射和电磁散射特性有重要应用,例如目标的探测、识别和指示技术.飞行器高超声速再入过程中,由于与周围大气强烈相互作用,不仅形成复杂结构再入流场,飞行器表面和流场中还伴随发生复杂化学物理过程,对目标特性产生严重影响.在对再入流场及伴随发生的化学物理过程研究分析的基础上, 建立再入目标特性理论模型框架,建立再入飞行器目标特性的基本计算方法,编制了相应计算程序,对典型再入飞行器的红外辐射和电磁散射特性进行了数值模拟.与相应实验结果的比较表明,流场电子数密度、高温气体辐射、等离子体尾迹的RCS等与实验结果一致.     

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.     

高焓电弧风洞试验热化学非平衡流场数值模拟

针对高焓电弧风洞内部流动的热化学非平衡效应及气体组分和振动能量冻结效应导致的试验数据外推困难问题,基于高焓风洞喷管/试验段/试验模型一体化数值模拟的思路,通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程,开展了FD-15高焓电弧风洞典型运行状态下流场的数值模拟,与典型试验状态的气动热数据进行了对比验证,研究了试验数据外推飞行条件的方法及有效性问题,分析了提高驻室总压对试验数据外推的影响。研究表明:（1）风洞试验段来流离解度高,热化学非平衡效应及其冻结现象严重;（2）热流校核试验测量数据位于一体化数值模拟的完全催化热流和非催化热流之间,分布合理,验证了计算方法和程序的正确性;（3）试验模型安放位置对模型表面压力和热流存在影响,模型与喷管出口的距离越大,模型表面压力和热流越低;（4）当驻室总压较低时,通过双尺度模拟准则（模拟飞行条件总焓和双尺度参数ρ_∞L）外推热流失效,使用部分模拟准则（模拟飞行条件总焓和驻点压力）外推热流也会出现较大差异,在非催化条件下这一现象更加明显;（5）当驻室总压较高时,使用双尺度模拟准则或部分模拟准则外推飞行条件,产生的热流差异明显减小。     

导管螺旋桨导管压力脉动特性试验研究

应用动态压力传感器测试了静推力和倒车状态下一导管螺旋桨导管内壁脉动压力,介绍了试验设备、方法和数据处理方法,并对其沿螺旋桨轴向的分布规律、频率和幅值特性进行了分析.结果表明:导管内壁压力脉动主要出现在内壁桨叶和整流叶片所在区,其最大脉动值可达静压的3倍,内壁其它区域压力脉动较小;其脉动频率主要是桨叶频率及其倍频,叶频率幅值在内壁桨叶和整流叶片所在区也比其它区域大.