高超声速多体干扰与分离试验

进行了高超声速飞行器多体系统分离过程中存在的气动力干扰试验研究.试验模型是某构型的可重复使用航天飞行器,由助推器以及再入体两部分组成.研究在FL-31风洞中进行,试验马赫数为Ma=6.97.试验结果表明:分离过程中助推器和再入体之间存在复杂的激波干扰现象,多体系统分离过程中的气动干扰本质上是激波干扰引发的.      

激波风洞两级入轨飞行器纵向级间分离试验技术

高超声速多体分离问题是航天多体飞行器研发中的关键技术问题，基于分离过程中高速流动的复杂性，对高速多体分离的风洞试验研究极具挑战性，特别是激波风洞分离试验。激波风洞具有高速、高焓试验气流特点，更准确评估高超声速分离气动力/热特性，但是其有效试验时间短（ms量级），进行主动式动态级间分离试验极其困难。提出一种应用于激波风洞主动式多体分离试验的高速气动发射系统（HPELS），使得模型在短试验时间内完成主动分离测试，详细介绍了HPELS延迟时间、模型分离时间等精确的时间标定及时序控制方法。针对分离过程中模型的运动轨迹及气动力参数的高性能评估，发展了基于纹影图像的非接触式分离运动轨迹捕获及气动力参数测量技术。两级入轨（TSTO）飞行器的安全级间分离是典型的高速多体分离问题，设计了并联式TSTO飞行器并针对作者提出的纵向分离方案，在JF-12复现飞行条件激波风洞验证了高速动态多体分离试验技术应用的有效性，同时首次在激波风洞对TSTO纵向分离方案进行了原理性验证。初步对比结果显示，试验结果与数值计算结果具有良好的一致性。     

超声速条件下多体干扰与分离试验研究

采用根据国外公开文献设计的类CAV模型,在0．6m×0．6m 跨/超声速风洞中开展了多体干扰与分离网格测力试验研究,初步获得了典型多体飞行器分离过程中的气动特性变化规律。试验结果表明,载荷模型气动特性受分离位置变化影响非常明显。载荷模型沿轴向分离时,气动力（矩）逐步接近自由流中气动力（矩）值,载荷模型法向位置改变会引发其气动力（矩）值发生更为剧烈的变化。引发这种现象的原因有两个：一是尾迹和头激波的发展改变了不同轴向位置处载荷模型的表面流态,从而影响了其气动特性;二是母机模型底部流动具有明显的非对称膨胀特征,不同法向位置处流速大小和方向差异明显,导致载荷模型气动特性随法向位置变化更为剧烈。     

基于PSP/TSP测量的TSTO标模级间分离气动干扰特性试验分析

两级入轨空天飞行器（TSTO）并联级间分离存在复杂的气动干扰现象，理解气动干扰特性对分离安全性设计和评估具有重要意义。本文在Φ0.5 m高超声速风洞中开展了基于压敏漆（PSP）与温敏漆（TSP）试验技术的级间气动干扰特性研究，解决了有遮挡条件下的压敏漆与温敏漆测量难题，获得了马赫数6条件下不同级间距的高分辨率大面积连续压力和温度分布特性。研究表明：轨道级头部激波直接入射至助推级壁面，与边界层相互干扰，诱导流动分离；入射激波与分离激波在级间区域会产生多次反射，形成三维复杂波系结构；随着分离距离增大，级间流场呈现从缝隙流到小通道流再到大通道流的流动特征，级间高压高温干扰区则呈现从前往后移动且峰值减弱的特点，这也是改变两级气动力/力矩特性、影响分离过程中两级位姿变化的主要因素。     

一种用于TSTO级间分离CFD计算的网格动态优化技术

两级入轨空天运输系统具有难度较低和经济性好的优点，级间分离是该运输系统设计的一项关键技术。相比前后串联级间分离，两级入轨上下两级间存在严重的激波相互干扰，直接影响分离物体的气动力矩。为了更好地模拟分离过程中两级之间的运动激波多次反射问题，本文结合非结构混合网格分布优化技术和压力比值激波识别技术，建立了用于级间分离运动过程的并行网格动态优化技术。基于计算流体力学软件NNW-FlowStar，完成了两级入轨运输系统并联分离过程的数值模拟。结果表明，采用网格动态优化技术，可实现级间复杂激波的精细捕捉，更精准地获得了强干扰下飞行器的气动特性，显著提高了并联分离过程中运动轨迹和姿态的预测精度。     

类X-43A飞行器高超声速分离仿真

高超声速飞行器级间分离过程广泛存在于军事和航空航天应用中。为了对该过程中气动干扰和各分离参数的影响有更加深入认识,以类X-43A飞行器为研究对象,采用网格变形/局部网格重构的方法对其进行仿真研究。详细分析了高超分离过程中典型的流场结构,尤其是飞行器和助推器之间的级间干扰;另外,重点讨论了初始攻角、弹射力对分离过程中飞行器和助推器的轴向/法向相对距离、气动力以及飞行器攻角的影响规律。结果表明：级间分离过程受到涡流和激波的双重干扰;攻角对飞行器和助推器法向相对距离影响较大,小攻角或负攻角更有助于二者分离;弹射力对轴向相对距离影响显著,较大的弹射力能够使飞行器较快脱离级间干扰区,达到安全的分离距离。     

一种并联两级入轨飞行器纵向分离方案的数值研究

两级入轨（TSTO）飞行器或将成为下一代天地运输往返系统，其具有低成本、高效率和多用途等优点，但是两级分离成功与否将直接决定入轨任务的成败。目前的并联式TSTO飞行器多采用横向级间分离，该方法会在两级间产生复杂强气动干扰而直接增加了分离风险，所以探索一种可以避免或减弱两级强气动干扰的新分离方式是十分必要的。提出并着重分析了一种并联式TSTO纵向级间分离（LSS）方案，即轨道级在助推级背面沿着飞行方向分离，对其进行了动态分离过程的数值研究。针对新分离方案，设计了一种由宽速域乘波体和可重复使用空天飞机分别作为助推级和轨道级的TSTO组合飞行器，在高超声速条件下，采用重叠动网格技术分析了不同来流攻角（AOA）下的纵向分离流动机理、非定常壁面压力分布及气动特性变化规律。结果表明：TSTO纵向分离过程中仅存在VI型激波干扰和激波汇聚等简单的弱干扰类型，两级间无明显的激波反射或激波边界层干扰；非定常压力分布特性表明助推级前缘激波是轨道级受力变化的主要影响因素；纵向分离过程中，助推级受到的气动干扰力载荷小于轨道级。此外，不同来流攻角下，两级气动干扰流场结构具有相似性，并给出了实现安全纵向分离的攻角条...     

侧向喷流干扰工程估算模型研究

喷流的直接力控制适用于全速域和全空域，具有响应快、效率高等特点，是控制飞行器飞行的有效手段之一。喷流与飞行器流场的相互干扰十分复杂，准确地获得喷流干扰气动力非常困难。笔者调研了国内外大量的喷流实验和局部凸起物干扰的分离流动实验，利用二维平板及轴对称凸起物绕流的分离特性，初步建立了计算喷流干扰的工程模型。该模型可计算喷流穿透高度、分离区长度、二维分离区边界、分离区平台压力系数，并可对分离特性进行三维修正。利用这一模型，笔者进行了某飞行器的超声速喷流的气动干扰特性计算，并与数值计算结果进行了比较。     

TSTO并联分离激波/边界层干扰流动特性分析

针对两级入轨飞行器的缩比模型，通过试验与数值模拟相结合的方式，在马赫数6条件下开展典型级间距状态的激波/边界层干扰流场研究，详细分析干扰区壁面及空间的流动结构与特性。结果表明：试验中模型壁面边界层在激波入射之前为层流状态，在强激波干扰后迅速转捩为湍流状态，因此试验结果在第一道激波作用结束之前与层流计算结果吻合，而在第一道激波作用结束之后与湍流计算结果一致；激波/边界层干扰呈现复杂的三维流动特征和明显的开放结构，强激波在壁面形成的高压区呈弧状向下游展开，轨道级头部产生的入射激波在级间来回反射，强度依次递减；同时，干扰区内存在展向弯曲的主分离线与再附线、沿流向排列的二次分离线与再附线、流动剪切形成的旋涡结构以及包括鞍点、结点、焦点在内的临界点；层流边界层受到激波作用形成的分离区明显大于湍流边界层，同时开放特征更为显著。     

进气道内激波/边界层干扰及控制研究进展

进气道作为高速航空航天飞行器的重要气动部件,对飞行器的气动力特性、结构重量、隐身性能等有显著影响。激波/边界层干扰现象是高速进气道内普遍存在的一类流动现象,对进气道的性能有突出的影响。发生于进气道内的激波/边界层干扰现象主要可分为正激波/边界层干扰、斜激波/边界层干扰以及三维激波/边界层干扰几类,由于受到侧壁壁面和进气道内背景波系的影响,这些干扰现象偏离了传统基于简化模型的研究结果,具有显著的耦合干扰特征,干扰区间内三维特征明显。概述了发生于进气道内的激波/边界层干扰特性及相关研究进展,并对目前进气道内激波/边界层干扰现象的控制方法进行了总结。     

基于网格测力数据的多体分离轨迹预测方法研究

将基于风洞网格测力试验数据建立的气动力模型与刚体运动方程进行耦合求解得到多体分离轨迹-时间特性，建立了一种多体分离的离线轨迹预测方法。为了提高气动力模型的预测精度，针对移动最小二乘法（MLS）模型提出一种新的权函数形式，针对Kriging气动力数学模型通过加入样点预处理提出了Kriging-Pre数学模型。研究方法应用于来流马赫数6条件下，某并联两级入轨飞行器标模的分离特性研究。研究表明采用改进的两种气动力数学模型均可有效提高分离轨迹预测精度，得到与CFD以及风洞试验定性一致的结论。验证了本文提出的离线轨迹预测方法可以满足当前多体分离特性定性分析需求，具有较高时效性。     

亚跨声速风洞机弹干扰试验技术

介绍了一种利用小尺寸风洞进行亚跨声速挂弹/载机干扰试验的试验技术,该试验技术是在小尺寸风洞内进行挂弹/载机局部干扰试验,可以测量挂弹投放过程中作用于挂弹及其折叠尾翼上的气动力和舵效率。为验证该试验技术,选取了某空射型导弹进行了挂机干扰试验验证,试验前对局部干扰流场和完整干扰流场进行了数值计算,计算结果表明局部干扰流场与完整干扰流场流态基本一致。试验结果表明,小风洞对局部流场的模拟可以取得合理的试验结果,该试验技术具有可行性。     

某运载火箭级间分离喷流干扰风洞试验研究

对某运载火箭级间分离特性进行了风洞试验研究,内流采用冷喷流模拟技术,获得了助推器与芯级同时分离和助推器先分离时,两级在有、无喷流、同轴变迎角情况下的气动力系数,试验结果表明,助推器与芯级同时分离和助推器先分离两种情况下,一、二级箭体各自的气动力系数变化很小,这说明助推器与芯级同时分离的方案是可行的。风洞试验研究结果为运载火箭级间分离方案设计和火箭控制系统参数设计提供了依据。     

一种高速风洞三维洞壁干扰壁压信息修正法

给出以壁压信息法为基础的高速风洞三维模型试验洞壁干扰修正方法。该方法要求洞壁附近为亚音速流动,但允许模型附近出现超音速区及激波。方法可用于各种通气壁或实壁风洞的亚跨音速试验。最后对四个模型在三种试验段中的二十多种试验进行了修正,其结果和NASA非线性修正方法的结果吻合得很好。     

风洞投放试验技术的研究现状与应用综述

多体分离是航空、航天和武器系统总体部门一直极为关注的关键问题,多体间的流场干扰效应产生的气动力和力矩对悬挂物分离相容性有重要影响,基于运动动力学相似的风洞投放试验技术是预测和评估多体分离是否相容的一种非定常试验方法。根据飞行器多体分离相容性的研究需求,结合作者在风洞投放试验技术的研究成果和经验,对风洞投放试验技术的国内外研究现状进行综述。首先回顾了风洞投放试验技术的发展历史,然后对低速和高速风洞投放试验的相似准则及缩比关系进行详细地论述与分析,进而对风洞投放试验的几个关键技术进行综述,最后对风洞投放试验技术存在的问题提出思考与展望。     

壁压法用于高速风洞大迎角实验力和力矩修正

 用改进的壁压法,对 Ma≤ 0 .9时飞机的大堵塞比模型、大迎角风洞实验数据进行了洞壁干扰修正计算。修正中考虑了洞壁干扰修正量分布不均匀的影响,初步解决了大迎角实验洞壁干扰修正中最困难的力矩修正问题。该方法可用于各种透气壁或实壁风洞     

Derivation and validation of a similarity law for free-flight wind tunnel tests of parallel stage separation

Aiming at the safety problem of the stage separation of parallel reusable high-speed air vehicles, this paper studies the unsteady test method and focuses on deriving a similarity law of parallel stage separation free-flight wind tunnel tests. The new similarity law considers the influences of aerodynamic force and gravity on the motions of the two stages, as well as the influence of aerodynamic interference between the two stages on each other’s motion. From the perspective of multi-angle physical equations, the conditions to ensure that the two-stage separation trajectory of a wind tunnel test is similar to that of a real air vehicle are derived innovatively, so as to ensure the authenticity and credibility of wind tunnel test results. The similarity law is verified by an HIFiRE-5 air vehicle, and the separation trajectories of wind tunnel tests and the real air vehicle are obtained by numerical simulation. The research shows that the similarity law derived in this paper can ensure that wind tunnel free-flight tests have the ability to predict the two-stage separation characteristics of real parallel vehicles. By analyzing the separation trajectory curve of the typical state, it is found that the new method can ensure that the trajectory error of a wind tunnel test does not exceed 1%, which indicates that this method is credible. The establishment of the new method lays the foundation for subsequent wind tunnel tests and provides support for research on the safety of the stage separation of parallel reusable air vehicles.     

内埋武器高速投放风洞试验技术

在0.6m×0.6m量级亚跨超声速风洞开展了内埋武器弹射试验技术研究。研制的风洞双视角、高亮度光路系统和六自由度(6DOF)图像分析系统,可获得飞行器内埋武器弹射投放物全轨迹图像和气动参数。此试验技术可独立调节投放物弹射速度和角速度,并可保证弹射速度误差≤5%,角速度误差≤10%,重复率≥95%;新研制的高亮度光源系统使拍摄图像清晰度更高,模型迎角辨识精度≤0.2°,有利于模型运动轨迹分析;光路系统得到合理设计,便于使用双视角技术得到模型运动轨迹及6DOF数据。新技术已完成亚跨超声速、多体干扰复杂气动力条件下的风洞试验验证,各项参数均达到或优于已有技术指标,并多次为型号试验服务,满足飞行器内埋武器弹射投放风洞试验研究需求。     

汽车风洞支撑干扰扣除方法研究

借鉴航空风洞镜像法原理,提出一种针对汽车风洞支撑气动干扰扣除的方法。在汽车风洞中完成汽车模型和天平支撑连接或分离的两次风洞试验,得到了汽车模型的气动力和支撑对汽车模型的干扰力之和。为了扣除模型支撑对汽车模型气动力测量的影响,在进行风洞试验的同时,应用CFD软件进行工况完全一致的数值仿真,计算模型支撑对不同车型气动阻力的影响。最后,通过归纳的修正公式将数值仿真获得的影响数值转化为汽车风洞试验的影响数值,获得汽车风洞试验的最终阻力系数结果。结合风洞试验和数值仿真的研究结果表明两种方法互相验证,互相补充,可以解决汽车风洞试验时支撑干扰扣除的实际工程问题。