吸气式高超声速飞行器机体推进一体化技术研究进展

吸气式高超声速一体化飞行器最显著的特点是子系统之间的耦合较其他类型飞行器更加强烈,这使得其设计具有挑战性。所有的子系统之间部件相互干涉,包括:气动、推进、控制、结构、装载和热防护等,特别是机体与超燃冲压发动机之间的耦合最为突出。飞行器的前体和后体下壁面既是主要的气动型面,又是超燃冲压发动机进气道外压缩型面和尾喷管的膨胀型面,在产生推力的同时也产生升力和俯仰力矩。机体与发动机的强耦合作用对飞行器的推力、升力、阻力、俯仰力矩、气动加热、机身冷却、稳定性和控制特性有直接的影响。本文介绍了国内外机体推进一体化技术的研究进展,重点介绍了中国空气动力研究与发展中心(CARDC)的相关研究工作,包括:密切曲锥曲面乘波进气道和基于双激波轴对称基准流场内转式进气道设计方法、独创的大尺度脉冲式燃烧加热风洞一体化飞行器带动力试验技术和高超声速内外流耦合数值模拟技术等。对高速飞行中激波边界层相互干扰、流动分离机理、可压缩湍流转捩及其控制、超燃冲压发动机燃烧流动机理等相关基础问题也进行了研究,强调了对高效高精度计算方法的迫切需求。     

民航机飞行稳定性和操纵性技术的发展(二)

在人类进入喷气时代之前,飞机的高速飞行稳定性问题,仅在战斗机的俯冲飞行中遇到过,并因此发生过所谓驾驶杆被“冻死”的现象,即飞行员用尽力气拉杆,也无法从俯冲中改出。由此,人们开始认识到,当飞机超过临界M数后,随M数增加,升力系数开始有一定增加,但随后很快下降;下洗减小,焦点后移,导致飞机有“自动俯冲”趋势;升降舵效率从某M数开始急剧下降,机翼上产生的强激波导致附面层分离和大的压力振荡,引起飞机抖振等现象。     

弹性飞行器大机动飞行气动特性分析

针对两种不同气动布局的前、后掠翼无人机,采用CFD/CSD松耦合方法,对弹性飞行器承受过载为10和20情况下的气动特性与刚性飞行器进行了对比分析。计算结果表明,与刚性飞行器假设情况相比,考虑过载作用下的弹性前掠翼飞机升力减小、阻力减小;而弹性后掠翼飞机的升力增大、阻力增大;两种气动布局的弹性飞行器与刚性情况相比,升阻比都略微增大,而且俯仰力矩系数明显增大。这对于飞行器纵向气动操纵特性会产生较大影响,同时也说明在大机动飞行过程中计入飞行器的弹性变形是非常必要的。     

双后掠乘波体的非线性升力增长

基于密切锥的双后掠乘波体是定平面形状乘波体的典型应用,除了具有良好的宽速域性能,其升力在高超声速大迎角下的非线性增长也是值得研究的现象。对比双后掠乘波体与单后掠乘波体的气动性能,发现双后掠外形比同等面积的单后掠外形具有更强的非线性增升效应,而且随着马赫数增加,其效应不断增强。分析乘波体不同部件的气动力,发现这种增升主要来自下表面,上表面贡献很小,指出相关学者提出的"涡升力"观点存在问题。本文研究表明,双后掠乘波体升力随迎角的非线性增加,与后掠角对激波附着的影响有关：后掠角越小,激波越难脱体,只要激波附着,参考斜激波关系式,波后的压力随迎角的增长就是非线性的,导致升力增长非线性;而激波脱体,升力增长则趋于线性。     

飞机除冰／防冰液的应用与发展

随着民航事业发展和机队规模不断扩大，航空公司对在冬季寒冷的气候条件下，飞机在任意时刻安全起飞给予充分关注。当外界环境温度低于5℃，任何形式的目视可见水分如雨、霜、冰雪或机坪跑道出现不流动的水、泥浆或冰晶时，飞机的机身、机翼以及操纵面就有可能生成冰或霜，即使分布在机翼上表面的冰颗粒极其微小，也会使其表面变得粗糙，在飞机产生升力的那些部位发生变化，将使机翼平滑的气动效率和升力受到破坏，从而反向影响升力。     

一种翼身融合飞行器的失速特性研究

翼身融合（BWB）布局飞行器作为下一代商用飞机的主要构型之一，越来越受到重视。对于翼身融合飞行器的研究主要针对其巡航状态的特性，而对其失速特性的研究较少。对一种翼身融合客机构型进行风洞试验研究，采用测力试验方法对其无增升装置的构型，以及具有翼梢小翼、前缘缝翼和机身上部双吊舱的组合部件构型下的纵向特性进行研究，特别是对其失速特性的分析，并通过二维粒子图像测试技术以及油流试验对其失速过程的流动机理进行研究。结果表明，无增升装置的基本构型下，翼身融合飞行器可以保持低速飞行，而各组合构型都具有提高最大升力系数的作用。对失速过程的分析表明，随着迎角的增大，飞机表面流场分离区域从翼梢开始逐渐向翼根以及机身发展，当外翼段完全处于分离区域时，飞机并不会马上失速，因为中心体同样具有提供升力的作用，且中心体的流动分离较外翼的流动分离更晚，所以当外翼在失速迎角出现升力损失时可以通过中心体的升力进行补偿，维持其低速飞行状态，真正的失速发生在中心体出现流动分离之后。     

翼型喷气增升效应的数值模拟

应用数值方法模拟了飞行器升力面下表面喷气的增升作用。数值模拟的出发方程是Ｎ－Ｓ方程,格式为Ｂｅａｍ－Ｗａｒｍｉｎｇ格式的改进型。模拟结果表明：喷气增升主要是通过改变上、下翼面的压力分布实现的。在一定范围内升力随气流出口速度增加而加大,气流出口速度超过一定值后升力开始下降。喷口位置后移增升效果较好。单一增大气流出口压力时增升效果无明显变化。     

飞艇飞机——新一代空中飞行器

这种先进的空中飞行器(AAV)由两个飞艇加一个翼身体组成。它的两个艇身是由凯芙拉复合材料和涂覆雷达吸波材料的多层挤压薄板制成。每个艇身有至少10个独立的充气单元,可容纳3540～14160立方米的氦气。翼身体与常规固定翼飞机一样可做机动飞行,其艇身特有的翼型设计同样也可提供升力,加上氦气能产生浮力,所以它提供的额外升力使AAV能带更多的载重,能在空中悬停,并能以较低的运营费用在空中停留更久。     

Mini-TED改变翼型跨声速性能的数值分析

用数值方法对比分析了NACA0012翼型在微小后缘装置(Mini-TED)打开前后跨声速气动性能的变化,并对其增升机理进行了初步分析。数值结果表明,Mini-TED可以将翼型上表面激波位置大幅度后移,大大提高翼型的升力。在小迎角条件下,Mini-TED后面存在一个由3个旋涡构成的稳定流动结构,正是这个旋涡结构改变了后缘库塔条件,导致上翼面激波位置的变化,进而大幅度提高了升力。当迎角增加后,后缘旋涡结构中的一个旋涡逐渐上移并与激波诱导的分离区合并,从而加速了翼型上表面分离。由于Mini-TED使得迎风面积增加,因而导致升力和阻力同时大幅上升,但总体上看仍然能够大幅度提高升阻比,证明Mini-TED后缘设计是一种极有潜力的新型高升力装置。     

特殊大气环境下格尼襟翼的气动特性

临近空间飞行器和火星探测飞行器首要面临低雷诺数、跨声速的特殊气动问题,针对此特殊环境下低雷诺数翼型的格尼襟翼增升方案,基于CFD方法开展了数值计算研究。对不同雷诺数、马赫数条件下,后缘加装不同高度格尼襟翼的Eppler387翼型的气动特性进行了对比分析,结果表明格尼襟翼增大了翼型的前缘吸力和后缘压差,从而显著增大了翼型环量和升力。在较高的马赫数下,格尼襟翼使翼型上表面低压区的范围扩大,对激波位置略有推迟。合适高度的格尼襟翼提高了翼型的最大升阻比,在中高升力系数下能够明显增大翼型的升阻比。研究结果能够为临近空间飞行器和火星探测飞行器的设计及改进提供技术支持。     

复合升力体飞行器飞行特性模型试飞研究

为了解复合升力体飞行器的飞行特性,以及不同升力面之间的气动干扰特性,在小型模型飞机的基础上研制了复合升力体飞行器验证机,并开展了一系列的试飞研究.试飞结果表明,飞行器旋翼模式和固定翼模式之间的过渡飞行完全可控,过程平稳,旋翼与固定翼升力面之间无不利干扰.     

涡升力乘波体发展研究综述

乘波飞行器在高超声速具有良好的气动性能,但偏离设计状态,气动性能则难以保持。为在宽速域范围能一直维持较好的气动性能,研究人员利用定平面形状乘波设计的优势,提出“涡升力”乘波设计。本文将涡升力乘波体的设计方法归纳为基于吻切理论的定前缘型线法、基于激波装配法的波导体法和基于给定激波面的投影法三大类,综述了涡升力乘波体在宽速域气动特性的相关研究进展,并对涡升力乘波体的后续研究提出建议。     

直接升力控制律的逆乃奎斯特阵列法设计

采用直接力控制可弥补常规飞机在轨迹操纵方面的不足,并产生某些新的运动模式 对飞机直接升力控制可的三种基本运动模式进行讨论,从中归纳出直接升力控制 设计就是输出解控制系统的设计问题。并以单纯直接升力控制方式为例,用逆乃奎斯特列方法设计了某飞机的直接升力系统,仿真结果表明ＩＮＡ方法是解决多变量解耦问题的有效方法。     

鸭式飞机矢量喷流对大迎角气动特性的影响

针对单发鸭式布局飞机，通过低速风洞试验，研究了矢量喷流对飞机大迎角气动力的影响特性。研究结果表明：发动机喷口直径变大使得飞机大迎角升力和阻力系数增加，并产生低头力矩系数。喷流使得飞机大迎角升力和阻力系数明显增加，并产生低头力矩系数；大喷口状态喷流影响比小喷口状态高50%左右。发动机喷管上/下偏转时，矢量喷流对飞机上下表面气流诱导不对称，喷管上偏减小升力和阻力系数、产生抬头力矩系数，喷管下偏增加升力和阻力系数、产生低头力矩系数，且喷管下偏影响明显比上偏大。在此基础上，基于数值模拟结果对喷流与飞机主流的相互作用机理进行了分析。     

"声爆研究"专栏简介

<正>超声速飞机是下一代民航飞机发展的重要方向。以"协和号"和"图-144"为代表的第一代超声速民机虽然取得了技术上的重要突破,但是其商业运营以失败告终,声爆问题是其核心关键制约因素之一。声爆是超声速飞行器所特有的一种气动声学现象,是飞行器超声速飞行时产生的激波及膨胀波     

小展弦比飞翼跨声速典型流动特性研究

小展弦比飞翼标模为国内自主设计的融合体飞翼通用研究模型,前缘后掠角为65°,展弦比为1.54。风洞试验结果表明小展弦比飞翼标模在跨声速迎角4°开始出现非线性升力,在迎角12°至16°范围内会出现升力突然下降、俯仰力矩突然上扬的现象。为了分析该现象的机理,通过数值模拟的方法研究了小展弦比飞翼标模在马赫0.9时的流动特性,分析了前缘涡的产生、发展直至破裂的整个过程,结果表明:小展弦比飞翼标模在迎角4°开始出现涡升力;随着迎角增加,前缘涡逐渐向内侧移动,涡强和背风面激波的强度也逐渐增加,前缘涡与激波发生交叉干扰并达到一个平衡流态;当前缘涡与激波无法维持既有平衡时则会发生涡破裂,流场急剧变化以达到新的平衡,从而导致升力突然下降并产生抬头力矩增量。     

提高飞行器升力的若干方法研究

本研究用数值模拟方法研究了四种增升方法。数据模拟的出发方程是可压流的Ｎ－Ｓ方程，格式为Ｂｅａｍ－Ｗａｒｍｉｎｇ格式的改进型。通过上述方法分别研究了：（１）动界效应对提高升力的作用；（２）涡的有利干扰对主升力面的影响；（３）吸气的驻涡增效应；（４）升力面下表面向下喷气的增升作用。研究结果表明，采用上述四种方法可有效地提高飞行器的升力，对改善飞行器的性能有着十分重要的意义。     

翼身融合布局飞机机体-发动机气动干扰效应

翼身融合（BWB）布局飞机是一种相对较新的飞行器概念,具有商业运输飞机的潜在用途。研究表明,翼身融合布局客机可获得比常规布局客机更好的性能。但是,由于各方面限制,BWB飞机不宜使用传统的机翼安装或机身安装的发动机布局,发动机背部安装成为首选布局。然而,背部安装发动机容易产生激波、分离、进气畸变等空气动力干扰问题,发动机与机身一体化的气动设计已成为BWB飞机发展的关键技术。针对BWB布局飞机的机体和发动机之间的气动干扰进行了数值研究,结果表明,背部安装发动机对BWB布局飞机的全机气动特性和发动机本身的推力性能都会产生较为明显的影响。     

试飞中如何得到校准空速

<正>空速是指飞机相对于空气的速度,是计算飞机空气动力的必要参数,也是飞机航程推算的重要依据。我们都知道飞机的升力来源于流过机翼上下表面的气流速度差导致的气压差,因此空速决定了升力的大小,没有空速,升力便会消失,飞机就会从天上掉落下来。而在实际的飞机飞行中,空速却有多个“分身”—真空速、指示空速、校准空速……不能傻傻分不清楚。     

GFS公司继续研制飞碟无人机

英国GFS工程公司在2007年5月首先公开了正在研制柯达效应飞碟外形的无人机,包括一种直径达30米的货机型和一种12米直径的民用型,这种飞行器将发动机气流吹过飞行器上表面,利用柯达效应使空气产生升力。目前公司又宣布将用它的800毫米直径的新柯达效应垂直起降无人机参与英国国防部的“重大挑战”（Grand Challenge）项目的竞争。