Clipper返回舱气动布局优化方法研究

俄罗斯联邦空间局提出的Clipper飞船返回舱采用升力再入方式,结合了飞船和航天飞机的特点,升阻比高、机动性强、稳定性好、过载低、空间大,而且可以部分重复使用,是未来低成本天地往返运输系统可能的发展方向.采用基于牛顿理论的气动力工程方法对气动特性进行预测,建立了考虑高超声速升阻比和效用容积时的多目标气动布局优化模型,利用多目标遗传算法进行了优化计算,获得了约束条件下的Pareto最优解集.     

新型升力再入飞船返回舱气动外形选型研究

未来低成本天地往返运输系统的气动外形设计的总体要求是升阻比高、机动性强、稳定性好、过载低、空间大、可重复使用等。结合国内技术水平和国外经验教训,提出了我国未来新型升力再入飞船返回舱的总体气动需求,采用平面斜切二次曲线构造截面的模线设计方法,设计了四种满足长度、截面尺寸和容积等总体需求的返回舱布局方案。利用基于牛顿理论的气动力工程方法对气动特性进行预测,利用气动力与六自由度弹道的耦合计算研究返回舱无控再入飞行特性。研究表明,所设计的返回舱外形高超声速稳定配平升阻比大于0.9,阻力系数大于0.5,法向过载低于2.5,具有较好的静动稳定性,具备可部分重复使用的潜力。     

燃油调节器计量活门自抗扰控制

为了消除某型燃油调节器计量活门控制系统受燃油油压扰动以及元件老化等因素的影响而导致计量活门位置控制所 受干扰，根据燃油调节器计量活门控制系统工作原理，采用机理建模的方法建立动力学方程；采用自抗扰控制方法对计量活门位 置进行控制，将燃油扰动等引起的非线性项集成为总扰动，设计线性扩张状态观测器进行实时观测并主动补偿；使用Matlab/Simu? link工具搭建仿真模型进行分析，将所提出的控制器与PI控制器进行比较。结果表明：在跟踪5 mm平滑输入，一定燃油阶跃扰动 情况下，自抗扰控制和PI控制的最大绝对误差分别为3.76459×10 -4 和8.20315×10 -3 ，均方差分别为1.78593×10 -6 和5.12835×10 -5 。 在跟踪正弦函数输入，一定燃油正弦扰动情况下，自抗扰控制和PI控制的最大绝对误差分别为2.62611×10 -3 和9.03823×10 -3 ，均方 差分别是5.71403×10 -4 和7.77306×10 -3 。所设计的控制器能有效估计并补偿扰动，比PI控制器具有更强的抗燃油扰动能力，鲁棒 性更强，提高了计量活门位置控制精度。可为后续的抗扰动控制算法改进和后续试验研究提供思路及理论指导。     

两轮升压式涡轮冷却器特性试验研究

针对两轮升压式涡轮冷却器的特点制订了涡轮和压气机的特性试验方案,分别按照折合参数整理了涡轮和压气机的特性试验数据,利用曲面拟合分别得到了涡轮和压气机的特性曲面方程。将10个校核点的试验数据与曲面方程得到的数据对比,误差在5%以内,证明试验方法和数据处理方法合理可行,对类似产品的特性试验具有借鉴意义。     

类X-37运载器气动布局概念设计

利用二次曲线方法与基于类型函数和形状函数的CST方法,提出一种类X-37高超声速飞行器气动外形,进行机体的气动力分析和控制舵的匹配设计,研究飞行器的气动特性和操纵效率问题。研究表明,该方案可以获得较高的配平攻角,有较高的容积利用率和机动控制效率,可以作为未来航天飞行器的潜在可行方案。     

外涵静子后掠对某风扇/增压级气动特性的影响

针对某大涵道比风扇/增压级外涵静子后掠降噪的优化设计目标,采用1种周向平均快速特性预测计算方法和3维数值模拟软件NUMECA,对其100％设计转速下外涵静子无后掠及轴向后掠22.5°和30°算例的特性曲线及流场进行了对比分析,以研究外涵静子轴向后掠对风扇/增压级特性及气动性能的影响规律.结果表明:一定程度的轴向后掠角度会使静子表面静压在叶尖处增强,而根部的叶片表面静压分布更趋均匀,风扇/增压级的外涵气动特性在裕度上无明显恶化;但严重的后掠角度则会导致叶尖叶片表面载荷显著增加,从而造成外涵的喘振裕度减小,进而影响整个风扇/增压级的气动性能.     

某小型离心压气机气动设计

针对无人机动力装置的需求,为某小推力的涡轮喷气发动机进行了单级离心压气机的气动设计.所用的压气机设计方法为:从一维的热力计算出发来进行流道结构设计,以二维通流计算为基础,通过调整各排叶片的环量分布,来获得所要求的气动性能,并通过叶片任意造型最终生成与通流计算结果较为一致的三维叶型,最后通过三维计算流体动力学(CFD)计算来分析气动设计的性能结果.最终设计出的离心压气机在设计点的各项性能参数均达到了设计要求,并且在各个转速下压气机的特性线比较平缓,压气机有较为宽广的稳定工作范围.      

某四级风扇特性计算的三维数值模拟

利用自主开发的程序对某四级风扇进行了特性计算,一方面是为了发动机整机的匹配,另一方面是为了校核程序对多级压气机的数值模拟精度.程序采用标准k-ε湍流模型计算湍流黏性系数,为了避免计算过程中由湍流模型方程带来的数值刚性问题,对湍流模型方程中的源项作了隐式处理.转静子之间的数据传递采用了掺混界面法.通过对一个单级风扇进行计算,并与常用的几种商用软件计算结果以及实验结果进行对比,初步验证了程序计算结果的可靠性.进一步对某四级风扇进行了计算分析,发现程序计算精度较好,可用于工程设计中.      

一种多场耦合数据传递新方法

针对当前数据传递应用中径向基函数存在的问题,提出一种基于几何尺度进行归一化的高超声速飞行器多场耦合数据传递新方法,并采用高超声速翼面和翼身组合体外形算例测试了该方法对径向基函数数据传递精度、效率以及通量守恒性带来的影响。研究结果表明该方法能够很好地提升TPS、MQ和紧支C 2三种常用基函数的插值精度和通量守恒性,尤以紧支C 2基函数提升效果最明显,使其能够用极少的点即达到TPS和MQ全域基函数的效果,实现了数据传递时效率、精度及通量守恒性的兼顾,在多场耦合数值模拟中具备较好的应用前景。     

微重力条件下热管吸热器瞬态热分析

基于微重力条件下的导热控制微分方程,采用焓法对热管吸热器相变材料容器进行了二维数值建模与仿真,在同时考虑空穴和相变的情况下,对微重力条件下蓄热单元相变传热进行了模拟计算,分析了空穴率对蓄热容器内部的温度场和热性能的影响,并将计算结果同美国航空航天局（NASA）方案热管吸热器蓄热单元相变传热计算结果进行了比较,验证了文中微重力条件下计算模型的合理性与准确性。研究结果表明：空穴影响着蓄热单元相变的进程,空穴的存在增加了容器内部的温度梯度,使得容器的蓄热能力降低;由于热管径向温差较小,热管壁温在相变材料熔点附近变化较小,从而在一定程度上能缓解热斑和热松脱现象。