高超声速飞行器气动/隐身优化设计方法

针对高超声速飞行器气动布局设计中气动设计与隐身设计矛盾的问题,采用高精度气动和隐身计算方法,建立了基于直接全局优化算法、二次曲线参数化方法和Kriging代理模型的多学科优化设计平台,并对典型高超声速布局升力体外形开展气动/隐身一体化优化设计研究。结果表明：升力体布局典型状态下升阻比由3.13提高到3.69,考虑垂直极化和水平极化状态,俯仰±30°的雷达散热截面（RCS）均值下降60%以上,表明该平台具有良好的寻优能力,风洞试验结果验证了优化算法的可行性;高超声速飞行器的机身和翼/舵等部件具有显著的绕射特性,物理光学法等高频算法不能准确捕捉前后缘绕射,应当采用矩量法计算其RCS特性;高超声速飞行器的垂直极化和水平极化的RCS特性差异巨大,在设计中应当予以考虑。     

燃烧室工作过程对冲压发动机性能潜力的影响研究

用准一维分析方法,在相同的入流条件下,假设将当量比为1的燃料热量全部添加到气流中,研究了燃烧室工作过程与性能之间的关系.结果表明,随着特征马赫数的增加,在相同飞行马赫数下,亚声速燃烧室所需扩张比逐渐减小,而双模态燃烧室所需扩张比逐渐增大;亚声速燃烧室出现所需最小扩张比和最大比冲的特征马赫数分别是1和0,双模态燃烧室在最小特征马赫数时所需扩张比最小,获得的比冲最大,且与亚声速燃烧室能获得的最大比冲相差不大,在飞行马赫数4、5、6时,差值分别为5%、4%、3%;特征马赫数在亚声速范围内变化时发动机比冲的曲线比较平缓;壁面摩擦系数的变化对燃烧室所需扩张比的影响大于对比冲的影响.直连式实验获得的等截面燃烧室极限加热量数据证明了本方法的合理性.     

高超声速冲压发动机-飞行器计力体系讨论

从吸气式高超声速飞行器受力分析出发,讨论如何统计飞行器受力的问题,建议在研究中使用增量法。这种方法将冲压发动机冷、热工况产生的力(力矩)增量视为飞行器运动分析中所需的"发动机推力或拉力",这个力或力矩分别叠加在飞行器冷通气状态的力或力矩上。这样,就与传统的飞行器运动方程中的力建立了一一对应的关系,可最大限度地使用以往建立的数据获取方法、分析软件、实验技术体系,将给后续工作带来极大的便利。另外,使用此方法,实验容易获得高质量的数据,通过大量容易组织的冷态实验也可使数值模拟的准确度大大提高,使未来飞行器的运动分析结果更可信。在这个体系下,内流道的冷工况阻力(轴向力)是高超声速冲压发动机与飞行器一体化需考虑的重要问题,一方面飞行器总体任务设计需限定内流道冷阻范围,另一方面要使发动机在要求的冷阻范围内高效工作,后者是高超声速发动机研究面临的严峻挑战。     

燃烧效率一维评价的影响因素研究

为拓展一维评价方法的适用性,笔者使用完整的一维方程组和一个氢气辅助煤油燃烧的实例,研究了影响一维方法评价燃烧效率的几个因素的作用程度,即平均分子量、平均定压比热和摩擦力系数,推荐了它们的选取范围和方法.在该研究实例提供的数据条件下,按照本方法选取平均分子量,给燃烧效率带来的不确定度不超过±0.05;针对反应过程中平均定压比热的变化情况,提出了分段计算的方法,该方法确定平均定压比热,在燃烧室出口给燃烧效率带来的不确定度不超过-0.01;忽略摩擦力会带来较大的误差,按照参考温度法计入摩擦力影响,和忽略摩擦力相比,燃烧效率评价精度提高0.1.     

双截面聚焦纹影技术应用研究

通过支板尾流结构显示实验,研究了使用双截面聚焦纹影技术显示复杂流动的可行性.双截面聚焦纹影系统能在一次实验中得到两个不同位置的聚焦纹影图片,并能保证两张图片反映的是同一时刻的流场结构.比较了普通纹影与双截面聚焦纹影系统捕捉三维流场结构的能力,证明聚焦纹影技术显示复杂流场是有潜力的.为使之能够清晰地反映复杂流场的三维特征,还需在缩小聚焦区厚度和提高信号质量方面做工作.     

基于等效热力过程的宽域冲压全流道性能设计方法

为了开展宽域冲压发动机的全流道设计工作,将双模态冲压发动机等效热力过程分析方法拓展到全流道设计,建立了基于等效热力过程的宽域冲压全流道性能设计方法。将该方法应用于带几何可调进气道的宽域冲压发动机全流道方案设计,分析了进气道调节、燃烧室尺寸对发动机性能潜力的影响。研究结果表明：马赫数2.0～3.5范围,在比冲和流量2个因素之间,流量对发动机推力性能影响更大,所以在低速段应尽力增大进气道流量;与第2级转折角相比,第2级折转角对比冲和推力的影响权重更大,采用较小的2级折转角有利于提高性能;获得最优推力和比冲性能需要不同的进气道方案。在所研究的马赫数范围,燃烧室需用面积相差很大,飞行马赫数越低、需用面积越大。若以低马赫数的高推力要求为设计依据,需要付出横向尺寸的代价,意味着阻力和重量的增大;若以高马赫数的高推力要求为选择依据,需要在低马赫数时付出推力性能的代价,意味着加速时间和耗油量的增大。本文发展的方法可以快速筛选获得最优推力性能或比冲性能的全流道方案,为宽域高性能冲压发动机的全流道性能初步设计提供有力支撑。     

共硝化及TATN／DADN共硝化合成研究

介绍了共硝化法合成混合硝酸酯的特点及其应用价值,在此基础上较详细地研究了TA(一种三元醇)和DA(一种二元醇)共硝化合成TATN/DADN混合硝酸的工艺条件,分析讨论了各种影响因素对共硝化产率、纯度、TATN/DADN比值的作用,提出了氧化副反应和乳化现象发生的原因及抑制方法。     

一种乘波构型边缘钝化方法的仿真与试验研究

乘波构型被视为近空间高超声速飞行器的理想气动布局,但其在实施钝化修形后气动力性能损失严重,使得其实用价值受到影响。根据乘波构型的典型气动加热特征,提出了一种新的边缘钝化方法,并通过数值模拟和风洞试验相结合的研究手段对其进行了分析。结果表明:新提出的边缘钝化方法可使乘波构型在满足防热需求的同时,气动力性能得到改善;采用经过优化设计的钝化方法,钝边缘的乘波构型仍可作为近空间高超声速飞行的重要候选布局。     

超临界燃料输送系统中甲烷/氮输运特性试验研究

为在确知组分条件下,获得不同小分子碳氢燃料的输运、喷射与燃烧特性数据,建立了一套可用于单组分和多组分超临界小分子碳氢燃料输送的系统。该系统采用先加压再加热的工作模式,使预知组分的小分子碳氢燃料达到喷前状态。利用氮作为输送介质进行了系统校验,试验中所获得的不同位置压力、温度随时间的变化数据表明,系统实现了氮流量及输送条件的稳定控制;在所研究的参数范围内,在下游出口获得了氮的不同相态;上下游两级喉道内氮流量的计算结果相对偏差≤±3%,说明两级喉道内氮的流量匹配性较好。在较大参数变化范围内,试验研究了甲烷在系统中的输运特性。甲烷的相态和流量分析结果表明,当喉部处相态位于气相时,可以按理想气体等熵流动计算流量,所得结果与国家标准提供方法相差小于±1%;当甲烷在上游喉道的喉部处于超临界相、在下游喉道的喉部处于气相时,两喉道流量计算结果相差8%~17%。该系统可以实现氮/甲烷流量大于100g/s,喷前压力大于5MPa,喷前温度高于450K条件下的稳定输送。     

燃烧风洞不同模拟方式对超燃发动机性能影响试验研究

为了研究燃烧加热风洞不同模拟方式对超燃冲压发动机性能的影响,采用相同流道的发动机模型,在模拟"静温+静压"的酒精燃烧加热和模拟"焓值+动压"的氢气加热这两种燃烧加热风洞上,开展了不同模拟方式对超然冲压发动机性能对比试验,结合飞行试验数据和对模拟方式的理论推导与分析,对风洞试验数据进行了详细的对比分析。根据分析可知:采用燃烧风洞进行超然冲压发动机性能研究时,模拟参数应该选取"焓值、动压和发动机油气比"等参数;本研究中在Ma5状态时,酒精燃烧风洞来流的"焓值和动压"与实际参数相差不大(小于3%),其发动机性能与氢气燃烧加热风洞的发动机性能基本一致;在Ma6状态时,酒精燃烧风洞来流的焓值与实际参数相差了约10%,性能也出现了明显的差异。