可变形乘波体气动推进与控制一体化综合设计

乘波体是高超声速飞行器的主流构型,若将其设计成可变体,能有效拓展飞行包线,确保全局的稳定性能.针对可变形乘波体综合设计方法进行研究,首先基于给定的基准乘波体外形,依据高超声速空气动力学理论和瑞利流公式估算出气动力和推力值,建立飞行器模型,然后给出飞行器可变前体多级压缩的约束条件,探讨可变形乘波体气动、推进与翼面控制之间的协调变化关系,最后通过仿真得到可变形乘波体的设计参数,验证综合设计方法的可行性.     

乘波体气动性能综合优化

提出了用欧拉方程求解基本外形的流场,利用高超声速线化摄动方法求出外形微扰动影响量,然后以修正后的外形作为下一步的基本外形,对外形反复进行渐近优化修正,以实现对乘波体上表面进行全三维整体优化的设计方法。本文的优化设计还考虑了上下表面优化的相互影响、低速性能以及操稳特性的要求,从而得到综合优化的乘波体整体气动性能。     

三级压缩锥导乘波体设计技术与实验分析

为了充分发挥乘波体布局作为吸气式高超声速飞行器前体的预压缩功能,基于吻切锥原理发展了一种多级压缩乘波体设计方法。通过该设计方法设计得到了三级压缩锥导乘波体。设计状态下的数值模拟结果显示,该乘波体产生的3道锥面激波按照设计预期相交于底部截面上。该三级压缩锥导乘波体的上表面采用膨胀式上表面布局设计并在底部与进气道相连,将进气道唇口取为设计条件下3道锥面激波相交的位置,由此获得了进行风洞实验的三级压缩锥导乘波体前体/进气道布局。对该型三级压缩锥导乘波体前体/进气道布局开展了数值模拟与高超声速风洞实验的对比校验,在流场波系结构方面得到了相吻合的结果,表明了设计方法的可靠性。     

侧喷干扰高温燃气效应讨论

在实验或计算中,通常采用冷喷流（或某种程度上的等效气体喷流,或无反应多组分混合气体喷流）开展侧喷干扰研究,这种处理方法在具有轨迹控制发动机的未来先进飞行器的设计中可能会产生问题。简要回顾了侧喷干扰气体模型对力和力矩影响的实验和计算研究成果,针对满足实际应用需求的大喷流动量比情形,开展了冷喷流、无反应气体喷流和反应气体喷流计算模型对典型锥-柱-裙外形的力、力矩以及侧喷干扰区域内气动加热峰值影响的研究。结果表明:无喷流条件下,反应对力和力矩的影响非常微小;开启喷流后,3种气体模型的法向力差异约4%~15%,力矩差异大于20%。冷喷流不能用于预测侧喷干扰峰值热流,反应气体喷流干扰峰值热流计算结果比无反应混合气体高13%。满足应用需求的大喷流动量比侧喷干扰的力学特性和峰值热流分布,均需开展复现高温燃气效应的实验验证。     

基于三维弯曲激波的宽域变马赫数乘波体设计分析

为改善常规乘波体布局的宽域气动性能,提出了一种基于复杂三维弯曲激波面的宽域变马赫数乘波体设计方法,其本质是将局部偏转吻切方法与“并联变马赫数”概念相结合,各流面内的设计马赫数不再保持不变,而可根据需求进行调整,以此提高乘波体的宽速域性能。该方法采用Bezier曲面直接指定所需三维激波形状,使得激波形状的选取更为灵活。结果表明,基于三维弯曲激波的变马赫数乘波体拥有更为均衡的气动与几何特性,更适于宽域飞行,且各流面内设计马赫数的离散单调性对此类乘波体性能有较大影响。相同条件下,马赫数7至12范围内设计的基于三维弯曲激波的变马赫数乘波体相较于吻切锥变马赫数乘波体具有更大的容积与更高的升阻比,但容积率有所下降。     

激波风洞中三角翼体模型的大攻角气动力测量和局部方法的应用

在激波管风洞中,模型自由飞方法测量了两种不同迎风面三角翼体模型的大攻角气动力。应用局部方法以一种迎风面外形的实验结果为依据,估算了另一迎风面外形的气动特性,结果与实验值吻合较好。另外,本文还进一步估算了航天飞机外形的气动特性,与美国的 CALSPAN 公司48英寸(1.2米)激波风洞中的实验值相比,结果也令人满意。从而表明,局部方法和实验相结合。用于简捷快速估算任意外形的高超声速气动特性是一有效的工程预示方法。     

软管-锥套式空中加油动态建模与性能分析

提出了一种基于凯恩方程的自主空中加油软管-锥套动态模型及性能分析方法。该方法将软管视为由有限段以铰链形式连接的刚性 杆组成,锥套为软管末端的一个质点。本文定义了描述系统状态的广义坐标及广义速率,导出了软管段位置多级递推公式和系统动态方程,估算了软管在加油机尾流、定常流和大气扰动下的气动载荷。通过数值仿真分析了平稳大气中锥套在加油机不同飞行条件下的稳态阻力和软管拖拽轨迹,验证了模型的正确性及系统稳定性。最后研究了大气扰动对锥套运动的影响及不同软管段的受扰运动。     

空天飞机的真实气体效应

本文首先以美国阿波罗飞船和航天飞机气动特性的飞行试验结果与风洞试验结果存在差别为例，说明研究真实气体效应对发展高超声速飞行器的重要性。在分析平衡流和非平衡流中激波特性的基础上，根据典型的空天飞机上升段轨道，分析了空天飞机激波后的平衡组元分布和松弛距离。进而，讨论了真实气体效应对空天飞机气动特性的影响，其中介绍了近代研究真实气体效应的计算流体力学方法和试验技术，重点介绍了Ｐａｒｋ提出的确定化学反应速率系数的双温度模型。最后，对今后空天飞机真实气体效应的研究工作提出了建议。     

非定常气动力对飞行动力学特性影响分析

在模糊逻辑非定常气动力建模的基础上,研究了非定常气动力对飞行动力学特性的影响.首先分析了非定常气动模型与定常气动模型的差别.其次采用分支分析方法,对带定常与非定常气动模型的飞行动力学系统的陡尾旋状态平衡分支图进行计算、比较与分析.并通过仿真对结果进行验证.研究表明,在大迎角状态下,非定常气动模型与定常气动模型存在较大的差别,对飞行动力学特性将产生一定的影响,需要在大迎角控制律设计中考虑非定常气动力的影响.     

分裂导线平均风荷载阻力系数干扰效应研究

分裂导线在不同风场条件下的阻力系数及干扰效应对导线风荷载的合理化设计十分重要。不同迎风角和雷诺数下分裂导线气动阻力系数特性及干扰屏蔽效应比较复杂。为了研究该干扰效应,设计长细比约为1∶30、长度约为1m 的导线节段模型试验,获得导线平均风荷载阻力系数随雷诺数、尾流干扰的变化规律;进行了不同风速和迎风方向下4、6和8分裂导线节段模型平均风荷载阻力系数试验,总结了多分裂导线阻力系数的屏蔽效应规律特性。试验结果表明,多分裂导线气动阻力系数干扰效应明显,且不同迎风方式对风荷载影响较大,风荷载明显低于现行规范规定值。分裂导线风荷载合理化设计和计算应该重视迎风角度和干扰效应的影响。     

氮气辐射强度的激波管测量与验证

超高速飞行器的热防护设计必须考虑激波层内高温气体发射与吸收的辐射能量,需要有效的辐射加热评估手段。相应飞行条件下的光谱辐射强度地面实验测量是验证数值模型和方法、理解高焓流动的重要手段。基于燃烧驱动激波管,发展辐射强度标定技术,针对富氮气环境,开展高温气体光谱辐射强度的高分辨定量化测试,掌握辐射特征,为数值验证提供基础数据。实验获得了激波速度5.70和6.20km/s条件下的气体光谱辐射强度精细结构,数据表明激波波后的非平衡过程对辐射强度存在很大影响。通过求解耦合化学反应动力学模型的Navier-Stokes方程和辐射特性模型,得到对应实验条件下的流场参数和辐射强度,计算结果和实验数据符合很好,验证了数值模拟方法。     

高速航空拖靶的总体方案和气动外形优化

针对某高速、低空恒高拖靶系统研制的需求,设计了一种有良好气动特性、结构简单、工艺性好、成本低的拖靶总体方案.为了进一步减少气动阻力,采用基于Kriging模型的优化方法对高速拖靶气动外形进行了优化设计.优化结果表明:在满足操纵力和稳定性要求前提下,优化后拖靶的气动阻力明显减小.本文研究结果为整个拖靶系统的进一步设计和论证奠定了基础.     

乘波外形高超声速风洞测力试验研究

介绍利用气动设计方法构筑3种乘波外形模型在高超声速风洞中气动力测量的结果。试验Ma数为4.94、5.93和7.96,基于自由流条件的单位长度雷诺数分别为2.2×107/m、1.9×107/m和1.2×107/m。试验给出这3种构型模型在迎角范围-1°~8°下的力和力矩特性。讨论了Ma数和迎角变化对气动力和压力中心的影响,同时着重比较了3种乘波外形的升阻比特性。     

弹性机翼刚度的静气弹敏感性研究

为保证大展弦比柔性机翼在巡航飞行时的气动性能够达到设计指标,需要在机翼气动外形设计阶段进行型架设计。机翼刚度对气动载荷有显著影响,是影响静气动弹性的重要因素之一。基于流固耦合方法开展变刚度型架外形设计鲁棒性分析研究,建立以机翼刚度为自变量的全机弹性气动导数评估模型,并以机翼扭转角及升力效率为约束,开展机翼刚度敏度分析。结果表明:垂直弯曲刚度、扭转刚度是影响机翼扭转角及全机升力效率的主要刚度特性;在机翼刚度变化不超过10%时可冻结型架外形;全机弹性气动导数与刚度比呈线性关系。研究结果可用于工程型号设计中的目标刚度静气动弹性评估。     

水陆两用飞机翼尖小翼外形参数优化

在机翼翼尖加装小翼可以增升减阻,但小翼外形的不同设计参数对诱导阻力的减少程度大小不一.本文利用AVL软件分析了水陆两用飞机带不同小翼的机翼气动性能,并用实验设计的方法研究小翼外形的不同参数对机翼阻力系数的影响.本文提出了用两级响应面模型构造机翼阻力系数和小翼外形参数的回归模型,并对这个回归模型进行优化以得到最优的外形参数.本文把这个结果和用遗传算法优化得到的结果相比较,结果基本一致,说明本文提出的两级响应面模型及其优化方法是可行有效的.     

弹性变形对柔性飞艇气动特性的影响

设计加工具有相同几何外形的刚性飞艇模型和可变内压的柔性飞艇模型,并进行了低速风洞实验.研究了内压变化对柔性模型阻力和俯仰力矩特性的影响,比较了柔性模型和刚性模型气动特性的差异.实验结果表明,随着内压的增加柔性模型的阻力呈下降趋势;对于具有相同几何外形的柔性和刚性模型,柔性模型的阻力明显大于刚性模型;刚性模型的尾翼对俯仰力矩的影响较大.     

现代设计方法在UAV气动布局设计中的应用

将现代设计方法学应用于小型无人机气动外形设计中,建立了无人机气动外形设计的箱体模型及其形态学矩阵,以此作为无人机总体方案设计和方案选择的依据,提出了无人机设计中的气动模型、几何模型、动力装置模型等关键要素,给出了确定各关键模型的必要步骤。结合小型UAV任务要求及实例设计,梳理了总体气动外形设计流程,完成了UAV整机及主要外形部件的结构设计,计算了典型飞行条件下运动性能等。充分验证了现代设计方法应用于UAV气动外形设计上的可行性,对无人机和其他飞行器的设计具有一定的参考价值。     

乘波体构型飞行器的高超声速测压实验研究

乘波体构型是高超声速飞行器的重要气动布局之一.对某多目标优化设计的乘波体构型飞行器进行了高超声速测压实验,对其气动性能进行风洞实验验证.实验马赫数M=6和M=7,迎角α=-4°、-2°、0°、2°、4°、6°、8°.结果表明:该乘波体构型各部件气动性能良好.进气道唇口准确捕捉到压缩激波,激波位置与设计吻合.乘波体上表面流向压力变化不大,有利于减小乘波体飞行阻力.下表面经过进气口内压段时压力有明显的增大,后体膨胀效果显著.在设计状态下,该乘波体飞行器整体气动性能良好.     

人工智能在空腔气动/声学特性预测与控制参数优化中的应用

多参数多条件下的精准气动特性数据是进行飞行器快速设计、系统完善、性能评估、指标考核的基本前提和根本保证。基于人工智能的深度学习技术与流体力学交叉融合已成为当前发展趋势,并在湍流模型改造、系统理论建模、气动数据预测、控制参数优化、复杂流场重构等方面得到成功应用。为最大限度发挥深度学习的强大表征能力,围绕内埋弹舱作战运用和智能优化设计需求,构建了弹舱空腔气动特性多场载荷数据库,采用基于数据驱动的深度学习方法,建立了耦合因素影响下的空腔气动/声学特性智能分析深度前馈神经网络模型,实现了有限约束条件下的空腔气动/声学特性快速预测,并引入随机搜索和贝叶斯超参数优化方法增强了模型鲁棒性,为空腔噪声有效控制模型快速优化设计提供了数据基础和方法途径。     

基于测力和测压试验的气动导纳识别结果比较

气动导纳是大跨度桥梁抖振分析的重要参数,通常通过格栅湍流场测力或测压风洞试验进行识别。然而,测力试验中天平和节段模型系统的固有振动和测压试验中测压管路系统的频响效应都会对气动导纳的识别结果产生影响。本文通过格栅湍流场测力和测压试验、采用抖振力自谱和抖振力脉动风交叉谱综合残量最小二乘法识别了准平板断面的气动导纳,其中,在基于测力试验的气动导纳识别中考虑了模型抖振力跨向不完全相关效应的影响,在基于测压试验的气动导纳识别中考虑了按Bergh-Tij deman理论公式修正或者不修正测压管路系统频响特性影响的2种情况。在此基础上,通过考察气动导纳实验识别结果之间的差别及其与平板断面气动导纳理论解Sears函数之间的差别,研究了天平模型系统固有振动以及测压管路系统频响效应对识别结果的影响。结果表明:天平模型系统的共振会显著放大气动导纳的识别结果;而由于测压管路的固有频率一般要显著高于天平模型系统的固有频率,因此,与基于测力试验得到的气动导纳相比,基于测压试验所得气动导纳总体上更加合理,可用导纳的折算频率范围更广。此外,在一般大跨度桥梁抖振分析所关心的折算频率范围内,考虑测压管路频响特性修正后,气动导纳有一定降低。