TY-3探空火箭突起物气动加热计算

采用平面斜激波理论、锥形流动理论、普朗特-迈耶膨胀流动理论和有关气动加热的理论方法，对TY-3探空火箭的尾翼前缘、气流导流块两突起物处的气动加热情况进行计算，计算结果与飞行实验结果作了比较，证明所采取的防热设计是有效的。     

烧蚀形状的实验研究与流态分析

本文提供了一组实验结果,并进行了气动加热与流动现象分析。在风洞内利用低温烧蚀材料研究球形端头的典型烧蚀形状变化,包括层流烧蚀外形与有转捩时的烧蚀形状。根据实验结果并参照理论计算对流场中存在的一些流动现象进行物理描述与分析。     

高超声速球锥组合体流场数值分析

用数值模拟法研究了高超声速球锥组合体的层流流场特性与热行为,给出了流场计算方法与格式。研究结果表明：球锥组合体压缩拐角在高超声速下出现流动分离,其流动特性受壁面温度的影响极大;提高壁面温度使压缩拐点处分离点位置前移,再附点位置后移,涡心位置提高,分离范围扩大,同时降低球锥组合体热流的分布,球锥组合体头部热流明显减小。     

防热层表面突起物及内部结构的温度场分析

阐述了高超声速和超声速流动条件下,返回式航天器防热层表面的突起物所引起局部过热问题,分析了突起物对其周围防热层表面的局部热环境的影响及其本身表面所处的热环境。以ARIES前后处理软件和NASTRAN分析程序为工具,分别计算了在试验热环境条件下及轨道热环境条件下突起物上的温度分布,并与试验结果进行对比,计算结果与试验结果吻合得相当好,从而证明了本文对防热层表面突起物所引起的局部过热问题所采用的分析方法和途径的合理性与先进性。同时也证明了本文对突起物周围及其本身的热流密度的工程简化是合理的。     

可压缩性修正湍流模型的高超声速飞行器流场模拟研究

采用经可压缩修正后的标准k-ε湍流模型对一类高超声速飞行器模型的气动特性进行了研究。计算中主要考虑了马赫数和飞行攻角的影响。计算结果表明,通过可压缩性修正,标准k-ε湍流模型能准确捕捉激波结构和复杂的压力变化规律;在激波系和预压缩面间构成的流动域内形成了高压均匀流动,实现了飞行器设计目标;在激波结构和激波发展趋势方面,计算结果和实验数据符合得很好,而两者在前体预压缩面上的压比值方面略有差异;经可压缩性修正后湍流模型的计算结果要明显优于原始湍流模型,可作为高超声速气动计算的有效方法。     

气动加热参数辨识在型号设计中的应用

针对战术导弹飞行试验的温度实测问题，通过测量弹体表面的温度。引入敏感系数，提出弹体表面气动加热热流的参数辨识方法。解决了该参数辨识定解问题的不适定性，从而获得导弹飞行全程的气动加热热流信息。飞行试验表明，通过参数辨识可获得较现有气动加热计算方法更为精确的结果，能提高设计的准确度。该计算方法在导弹设计中有较大的应用价值。     

SST二方程湍流模型在高超声速绕流中的可压缩修正

为模拟高速可压缩湍流问题,对剪应力输运（SST）湍流模型进行了可压缩修正。数值格式采用改进的总变差减小（TVD）格式,并对湍流模型的负值强制项进行了隠式处理。在此基础上计算了绕平板以及基本无分离和具有分离流动结构的压缩拐角的高超声速流动。计算结果和实验数据及半经验公式的对比表明：SST湍流模型的可压缩影响项为密度加权脉动速度的平均与压力梯度的标量乘积。经可压缩修正后的SST湍流模型与原模型及其它可压缩修正模型相比,所计算的壁面压力、摩擦阻力和壁面热流分布具有更高的精度。     

外流干扰对气动塞式喷管性能影响的数值模拟研究

本文首先对气动塞式喷管内外流干扰的机理进行了分析，在此基础上对流干扰对气动塞式喷管性能的影响进行了数值模拟研究，数值方法采用NND格式求解二维NS方程，对于不同的背压和来流马赫数条件进行量的数值实验，通过计算揭示了不同外流条件下气动塞式喷管的流动特征以及外流干扰对喷管性能的影响规律，本文的计算结果可以为气动塞式喷管的设计和性能预后提供参考。     

高硅氧增强塑料的烧蚀理论及试验结果

本文对在气动加热和剪切力作用下的高硅氧增强塑料的烧蚀问题进行了理论探讨,分析了这种材料在烧蚀中所产生的物理,化学过程特性。以高超音速再入大气层的头锥体,其烧蚀表面具有熔化、气化、塑料分解和表面化学反应等过程,二氧化硅形成流动的液态层,树脂的气体产物通过多孔的碳化层和液态层进入附面层中。质量引射到附面层的效应降低了气动热交换和剪切力。 烧蚀理论由电弧加热器的层流驻点实验所证实,驻点烧蚀速度和表面温度的理论值与实验值相差在15％以内。     

可降低气动热效应的类凹腔外形优化设计

针对飞行器上由凸起物形成的类凹腔气动加热问题,采用数值方法求解三维N-S方程,研究了类凹腔外形结构的高超声速气动加热规律,获得了三维高超声速流场和局部热流分布,并详细分析了局部的流场结构和气动加热机理。针对凹腔前壁面热流密度过高的问题,提出并验证了一种降低前壁面边缘热流密度的优化外形,将前壁面的热流密度降低至优化前的20%左右。     

Concave corner flow problem

Many satellites, especially those equipped with solar panels, are of concave shape. The calculation of the aerodynamic forces on concave bodies exposed to a free molecular flow is complicated due to shielding effects of one surface by another and due to the multiple molecular collisions between these surfaces. In this paper the flow into concave corners is treated. It is shown that shielding has an influence on the surface forces, only for certain corner angles and flow incidence angles.     

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。     

高超声速飞行器材料与结构气动热环境模拟方法及试验研究

文章介绍了自行研制的石英灯红外辐射式气动加热试验模拟系统以及使用该系统对高超声速飞行器材料与结构进行的高温热评价试验。本热试验系统可实现升温速率高至200 ℃/s的非线性热冲击过程的动态模拟;能够生成1.8 MW/m2热流密度的瞬态非线性热试验模拟环境;能将试验环境温度提高到1 500 ℃。在该热试验系统上完成了如下试验研究: 1）金属蜂窝板结构在高温950 ℃非线性热环境下的隔热性能评价试验和数值模拟;2）对SiC/SiC复合材料试件在1 300～1 500 ℃下的隔热性能评价试验;3）采用轴向非分段加热试验方式对圆柱型壳体结构（长2.1 m）内壁进行高温热环境试验。本试验系统在可控的非线性温升速率、高温高热流密度变化过程的动态模拟、热试验环境模拟的准确性以及非接触式全场高温变形测量等方面的研究成果达到了国际先进水平。     

充气式返回舱气动热特性研究

文章针对航天器返回实时性和经济性的需求,以充气式返回舱为研究对象,研究该飞行器从空间站返回过程中的气动特性,重点分析气动热特性。文章通过引入分子运动论、Kemp-Riddell方法、Linear桥函数等计算方法,建立起该飞行器在自由分子流区、过渡流区和连续流区高超声速情况下的表面热平衡方程,得出了该飞行器返回过程中的驻点热流密度和驻点壁面温度。计算分析了该飞行器最大直径D1和半锥角α等几何尺寸对其气动热特性的影响,得到在一定范围内增大D1和α可以有效减小驻点热流密度和驻点壁面温度,并研究在峰值加热高度附近70km、80km处不同马赫数下的气动热特性。在此基础上,依据热防护系统材料和布局,将气动加热计算的表面热流分布作为外壁边界条件,分析了结构材料层的温度变化特性。     

轴对称体外部流场的有旋特征线法

轴对称体的无粘，可压缩，定常，超音速流动的外部流场，在计算时，常采用流动为无旋的假设，当头部激波弯曲较大时，会产生一定的误差。本文对绕轴对称体的这类流动，用有旋特征线理论进行了数值计算。结果与实验数据的比较表明：用有旋特征线理论对绕轴对称体的流场进行计算是完全可行的。该方法的应用对轴对称体的气动力计算具有实际应用价值。     

高超声速飞行器外形热流密度分布计算的高精度方法研究

为提高高超声速条件下飞行器表面热环境的计算精度,发展了高精度算法WCNS-E-5,并开展了热流密度分布的数值计算研究.该算法采用的是五阶精度加权显式非线性格式,结合四阶精度的二阶偏导数差分近似、四阶精度的边界格式,同时还对网格偏导数及温度梯度也离散为四阶精度.通过求解三维Navier-Stokes方程,数值研究了高超声速飞行器外形如钝锥和双椭球体的物面热流密度分布.模拟结果表明,这种保证全流场高精度的WCNS-E-5得到的流场图像清晰、真实.与通常的二阶算法MUSCL对比,WCNS-E-5具有更高的流线分辨率,获得的热流密度更接近于实验测得分布.     

圆柱体绕横轴气动力和气动热的试验研究

对圆柱体绕垂直中心轴线的横轴旋转时的气动阻力矩和气动热做了试验研究，描述了能将阻力降低８０％左右的加罩法。     

高超声速再入钝头体表面热流计算

采用边界层外缘无黏流场数值求解三维可压缩定常Euler方程,将所得物面压力分布作为边界层外缘条件,用于边界层内跟踪流线的轴对称比拟工程算法,计算高超声速有攻角再入钝头体的表面热流。某钝双锥算例结果表明:算得的表面热流与实验数据吻合很好。该方法较纯工程算法提高了精度,较数值求解整个流场Navi-er-Stokes方程节省计算时间,对准确计算全轨道飞行复杂形状高超声速飞行器表面的热流分布有一定价值,适宜高超声速飞行器方案设计阶段气动热环境预测的需要。     

考虑气动加热和变截面惯性矩的高超声速飞行器建模与分析

由于高超声速飞行器弹性机体/发动机的高度一体化设计,使得此类飞行器的动力学建模与控制较为复杂,而作为控制的基础以及面向控制的总体优化设计都需要建立高精度的动力学模型。首先,建立了考虑气动加热和变截面惯性矩影响的高超声速飞行器自由梁结构弹性模型,分析了气动加热和变截面惯性矩对飞行器振型的影响,得出了气动加热对振型影响非常小且振型引起的攻角变化很小,变截面惯性矩对飞行器的振型影响较大且振型引起的攻角变化较大的结论。然后,建立了考虑气动加热和变截面惯性矩影响的自由梁高超声速飞行器动力学模型,对考虑气动加热和忽略气动加热、恒截面惯性矩和变截面惯性矩对应的动力学模型进行了零极点分布对比分析,得出了气动加热对飞行器的纵向动态特性影响很小,变截面惯性矩自由梁对应的高超声速飞行器在特征点处开环不稳定性更大和非最小相位行为约束变弱的结论。