临近空间高超声速飞行器关键技术及展望

随着各国对提高军队通信、反应和作战能力的需求与日俱增,发展临近空间高超声速 飞行器技术的重要性愈发明显。综述了临近空间高超声速飞行器国内外的发展现状与趋 势,系统全面地分析了发展临近空间高超声速飞行器的关键技术,包括总体设计技术、气动 力和气动热技术、高温长时间热防护技术、高精度GNC技术、有效载荷抛撒技术以及发动机 技术。在此基础上,最后提出了适合我国国情的临近空间高超声速飞行器技术的发展设想。
     

基于FPGA的大比例系数高精度I/F电路设计

加速度计是惯性导航系统的核心部件,通常加速度计的输出信号为模拟电流,为便于导航计算机对采集数据解算处理,需经过I/F（电流/频率）转换电路。为满足某惯导系统对大比例系数加速度信号采集转换的要求,在经典I/F电路的基础上结合FPGA+A/D设计了一种比例系数大于90000脉冲/（s·mA）,量程为6mA的电流频率转换电路,同时转换电路支持串口输出。通过对该大比例系数I/F转换电路的温度特性、线性度、零位稳定性等指标的测试,表明该电路性能良好,有利于进一步拓展应用范围。     

石英挠性加速度计的电阻尼设计

石英挠性加速度计在低气压环境下使用时, 可能因为漏气而出现失效问 题,分析了加速度计表头在真空状态下会出现的振荡现象,提出了可以在系统内增加电 阻尼环节来应对该问题,电阻尼环节由加速度计伺服电路中增加的内环路来实现,内环 路中的微分环节可以等效为系统的阻尼项。进而通过计算机模拟仿真和具体硬件实现后 的动态比较测试,验证了电阻尼设计的可行性,证明该方法确实能够有效提高仪表的可 靠性。     

马赫数离散方式对吻切锥变马赫数乘波飞行器构型和气动性能的影响

为进一步认识吻切锥变马赫数乘波飞行器（Osculating Cone Variable Mach number WaveRider,OCVMWR）设计方法、拓展乘波飞行器在空天飞机等可重复使用飞行器设计领域的实用性,利用数值仿真方法对比了设计马赫数离散方法对吻切锥变马赫数乘波飞行器几何构型和气动性能的影响。为确保开展的研究具有代表性,从函数的（非）线性、单调性和凹凸性3个方面出发,选取了线性递减函数、正弦函数、余弦函数、1-正弦函数和1-余弦函数作为给定设计马赫数区间的离散方法。研究结果表明,设计马赫数离散方法的不同特性均对OCVMWR的几何构型和气动性能产生了不同程度上的影响;其中,单调性的影响最大。具体来说,离散方法具有单调递增性质的OCVMWR构型比具有单调递减性质的OCVMWR构型在构型中间处更长、更厚一些,而在构型边缘处则更窄一些;同时,其升阻比更低。     

高超声速乘波体飞行器机身/发动机一体化关键技术研究

飞行器在高空中作长时间巡航飞行时,对升阻比提出了极高要求,而高超声速乘波飞行器因其具有高升阻比、均匀的下表面流场以及高度一体化性能得到研究者重视,成为未来空间飞行器新的研究热点.简要介绍了高超声速秉波体飞行器机身/发动机一体化国内外研究进展,着重阐述了其关键技术及其研究,主要包括前体/进气道一体化技术、燃烧室构型优化技术和尾喷管/后体一体化技术,并对未来高超声速秉波体飞行器构型的进一步发展提出了设想--采用流线追踪思想,以Busemann进气道和圆形或椭圆形燃烧室作为其推进系统的两大重要组成部分,同时其机身具有膨胀上表面.     

一体化高超声速飞行器气动特性数值仿真

采用二维耦合隐式N-S(Navier-Stokes)方程和标准k-ε湍流模型对具有哈克外形头部的一体化高超声速飞行器在进气道关闭、发动机通流以及发动机点火状态下的升力特性、阻力特性、俯仰力矩特性以及升阻比特性进行了数值模拟,考察了机身头部长细比对其气动性能的影响,结果发现,在第一种定义方式下的飞行器构型气动性能改良程度明显高于第二种定义方式,同时,随着机身头部长细比的增加,一体化高超声速飞行器的气动性能得到明显提高,可以满足飞行器巡航时的气动要求.      

大气及地面红外辐射对高空飞机长波低发射率红外隐身效果的影响

计算分析了蒙皮反射的大气及地面红外辐射对高空飞机采用低发射率材料的红外隐身效果的影响.蒙皮温度采用恢复温度,红外辐射采用反向蒙特卡罗法计算.考虑了夏季和冬季两种典型大气和地面条件,亚声速巡航和超声速巡航两种飞行状态.结果表明:蒙皮对背景红外辐射的反射使得低发射率材料对飞机红外辐射强度的抑制效率降低1.5%~6%;考虑反射的背景红外辐射时,探测距离增加20%~70%;背景红外辐射对低速飞机的红外辐射影响较大,且夏季比冬季更明显;当飞行速度较低时,降低飞机上表面发射率,当飞行速度较高时,降低飞机全部表面的发射率,可获得更好的红外隐身效果.      

二元喷管热喷流的红外光谱辐射特性实验

为了获得涡扇发动机二元喷管热喷流的红外辐射特性,分别对喷口面积相等且宽高比分别为1,4,8,12和16的二元喷管的热喷流的红外辐射特性进行了测试,并与轴对称喷管进行了对比。喷管内涵通道的气流温度为500℃,外涵通道的气流温度为环境温度,内、外涵气流的流量比为1:3。通过实验,获得了各个喷管的热喷流在3~5μm波段的红外光谱辐射强度分布和积分强度。结果表明,采用宽高比大于1的二元喷管能够有效降低热喷流的红外辐射,但是在宽高比大于8以后二元喷管热喷流的红外辐射不再随宽高比的增加而明显减小。     

涡扇发动机二元喷管的红外光谱辐射特性实验

为了获得涡扇发动机二元喷管的红外光谱辐射特性,分别测量了喷口面积相等而宽高比分别为1,4,8,12和16的二元喷管在3~5μm波段的红外光谱辐射特性,并与轴对称喷管进行了对比。喷管中的气流由主流燃气和次流空气组成,用以模拟涡扇发动机的喷管。结果表明,采用宽高比大于或等于4的二元喷管在绝大部分探测方向能够有效降低喷管的红外光谱辐射强度,但是在宽高比大于8以后二元喷管的红外光谱辐射强度不再随宽高比的增加而明显降低。