新一代环保型超声速客机气动相关关键技术与研究进展

更快的旅行速度是人类永恒的追求。虽然以"协和"号和"图144"为代表的第一代超声速客机商业运营失败,但之后人类从来就没有停止过对新一代更加环保的超声速客机的探索与研究。本文首先梳理总结了其中首要突破的四大关键技术(声爆预测及其抑制技术、超声速减阻技术、变循环发动机技术、低声爆低阻布局与综合优化设计技术),并对其国内外研究进展情况进行了文献综述,对研究现状进行了分析。其次,介绍了西北工业大学超声速客机研究中心在声爆预测理论与方法、声爆抑制技术、低声爆低阻布局与综合优化技术、超声速层流减阻技术等方面的研究进展。最后,针对发展新一代环保型超声速客机当前急需突破的关键科学与技术问题,探讨了未来需重点研究的方向。     

无石棉内绝热层材料现状与发展

介绍了内绝热层材料的防热机理与材料特性，综述了无石棉内绝热层材料的国内外研究现状及发展概况，并对今后的研究重点和发展趋势进行了探讨。     

树脂基复合材料的分解防热效率

为了提高树脂基复合材料烧蚀中的热阻塞效应,同时避免因为加入过量树脂引起的复合材料脆性较大的问题,本文提出了引入可分解纤维改性的方法来解决这一矛盾.通过比较,筛选出了分解性质与酚醛树脂相似的可分解纤维,制备了改性纤维/酚醛复合材料.电弧风洞烧蚀试验结果显示,20 mm厚的改性纤维/酚醛在最高热面温度1 300℃、总加热时间600 s的条件下背面温升比相同条件下高硅氧/酚醛低约40℃,表现出很好的烧蚀防热性能,与材料设计的初衷相符.因此,引入可分解纤维的方法是一种有效改善复合材料性能的方法.     

基于非光滑表面的直升机尾舱门减阻技术

为了研究凹坑形非光滑表面的减阻效果与流动控制机理,将半球形凹坑单元布置在直升机尾舱门外表面。采用基于k-ω剪切应力输运模型(k-ω shear-stress-transport,k-ω SST)的计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法,对比分析了非光滑表面机身和光滑表面机身的阻力特性、后体局部流场和表面压力分布。根据凹坑单元内局部流场和压力分布的分析结果,得到了凹坑形非光滑表面的减阻机理:凹坑单元内形成的低速漩涡,能够延缓机身后体流动分离;半球形的凹坑造型和基本恒定的压力分布,可减小对阻力直接做出贡献的低压区面积,两者的共同作用降低了直升机阻力。     

覆盖多孔介质的圆柱减阻特性和机理研究

多孔材料由于其独特的孔隙结构,可用于声学降噪以及流动控制领域。首先,采用大涡模拟（Large eddy simulation,LES）方法,开展了亚临界雷诺数条件下有、无覆盖多孔介质的圆柱绕流数值计算;其次,对比了两种不同工况的升、阻力系数大小,分析多孔介质的减阻控制效果;最后,结合气动力以及流场结构变化,揭示出多孔介质的减阻控制机理。研究结果表明：雷诺数为5.6×10⁴,圆柱表面后缘处铺设位置角为270°的多孔介质时,减阻效果可达到8.53%。由于多孔介质表面具有渗透性,一方面可提高多孔-流体交界面处的滑移速度,稳定圆柱表面的分离剪切层,降低涡脱落频率;另一方面,流体穿过多孔介质可产生类似微射流的作用效果,增强分离区圆柱表面的压力,降低圆柱上下游的压力差,从而显著减小圆柱表面的总阻力。     

采用尾部隔板降低类客车体阻力的研究

针对类客车体(Ahmed Model)1:1.5模型,采用风洞试验和数值模拟相结合的研究方法,研究了在模型尾部安装多种构型的隔板对气动阻力特性的影响规律.通过分析各种构型隔板对尾流结构和尾部压力分布的影响,初步分析了尾部隔板的减阻机理.研究结果表明:①隔板须根据尾涡结构设计其参数和构型布置.才能达到较理想的减阻效果;②隔板以适当的参数及构型布置时,可以控制尾涡、提高尾部压力、减小压差阻力;③针对该文模型,当隔板宽度为60mm,距尾部后缘10mm,并以3横3纵构型布置时,模型阻力系数降低达15.58%.     

树脂基复合材料长时间烧蚀防热的应用研究

介绍了不同再入飞行器热防护材料的特点，指出长时间飞行器对防热层的要求。通过纤维织物改性和树脂基体改性研制了新型防隔热材料，并进行了性能测试和研究。结果表明：新型改性纤维／酚醛复合材料比传统的树脂基防热材料具有更好的隔热性能和抗烧蚀剥蚀性能，能够满足中低焓值、较低热流、烧蚀时间较长（300～700s）防热部件的防隔热要求。     

疏水性材料减阻特性实验研究

应用光滑的和粗糙的、亲水性的和疏水性的平板在水槽中进行了测力和边界层流场测量,以廓清壁面材质、粗糙度和雷诺数对壁面摩阻的影响。实验结果表明：材料的疏水性和壁面的适度粗糙的共同作用才能表现出明显的层流减阻效果。     

翼尖减阻装置风洞实验研究

对Ｙ１２飞机加装剪切翼尖和翼梢帆片后，其纵向和横侧气动特性影响的风洞实验表明，该措施几乎在整个实际飞行的升力系数范围内都具有明显的减阻效果，达到了改善性能预定的减阻指标。     

亚、跨声速底排减阻特性研究

为了研究亚、跨声速底排减阻特性,采用了底排氢加空气燃烧和底排冷空气的方法进行底排减阻特性的风洞实验研究,实验的马赫数范围为M∞=0.71～1.55。从研究结果看出,底排冷空气的减阻率确实很低,但氢加空气燃烧的底排减阻率是很高的,其最大减阻率△Cmax=40％～120％,比冷排气要高一个量级。说明在亚、跨声速下采用底排燃烧的方法仍可有效减少弹丸底部阻力增加射程。