固体火箭冲压发动机导弹气动外形设计与试验研究

某固体火箭冲压发动机导弹存在着航程阻力大、静稳定性差、平衡攻角偏大、舵效偏高等一系列问题。根据导弹的基准外形,结合相关理论,对影响导弹气动性能的关键部件进行了分析与比较研究,并对外形进行改进,建立了一系列差异化几何模型。用 FLUENT 软件,对导弹在不同攻角条件下外流场进行数值计算,得出了各模型的轴向力系数、法向力系数和俯仰力矩系数随攻角的变化规律以及表面的压力分布情况。计算结果表明,就设计目标考虑,采用改进后的大进气道、小弹翼、舵面边条、后掠舵面和水平尾翼布局的模型性能最优。为进一步研究该最优布局下各关键部件对导弹气动性能产生的影响,进行了组拆选型风洞试验。试验中将这些关键部件逐步组装到光弹体上,前后共测试了16种模型状态,经对比分析,确定了气动性能最优的外形,且该最优外形与数值计算所确定的最优模型一致。随后对该最优气动外形的导弹进行全弹风洞测力试验。试验表明,相较于基准弹,优化后的导弹模型各项气动性能均有所提高,其中,轴向力系数数值减小了3%~4%,纵向焦点位置平均后移3%左右,平衡攻角较基准弹减小1.5°(60%)左右,对质心的俯仰舵效减小了40%左右,滚转舵效减小了35%左右。试验结果与同条件下的数值计算结果吻合较好,同时这也验证了导弹气动优化过程中 CFD 数值计算方法的合理性。     

TBCC发动机涡轮进气道喷水冷却特性数值研究

对涡轮基组合循环(Turbine Based Combined Cycle, TBCC)发动机涡轮进气道进行喷水冷却是解决TBCC发动机推力不连续问题的有效方式之一。本文基于实际流场条件选取某型TBCC发动机涡轮进气道结构,对进气道内喷水冷却特性进行了数值仿真,研究飞行器不同工况下水滴的蒸发特性及喷水对来流高温空气的预冷效果。结果表明,来流空气温度降幅随水气比提高而增大,最高温降可达152.4K。水气比提高后水滴蒸发率逐渐降低,但蒸发总量仍会继续上升。相同水气比条件下,飞行马赫数越高,喷水冷却效果越明显。在Ma3.5飞行速度和水气比0.03条件下有最高蒸发率,达83.05%。喷水冷却有效扩展了涡轮模态飞行马赫数,最高能使飞行速度提升至Ma2.84,即喷水冷却扩展了TBCC从涡轮模态向超燃冲压模态转换的衔接速域。     

可调混压进气道超额定工况黏性作用理解

进气道研制在各阶段均需要好用的设计方法,第一步是用无黏波系理论设计进气道的波系和流道参数。在实际的黏性条件下,超额定工况黏性流场结构非常复杂,基于无黏波系理论的设计方法在逻辑上难以封闭,理解黏性作用的机制和后果,有可能改善无黏方法在超额定工况的适用性,或者提出黏性修正的经验指导。针对设计点马赫数为2.5的可调混压式超声速进气道超额定工况内流道入口波系设计问题,用数值模拟方法,研究理解了超额定工况黏性流场结构生成机制,与无黏设计相比,初始黏性结构(边界层、滑移层)使无黏流道流通能力下降,产生的限流反压迫使上游激波系强化、分离区与激波干扰结构调整,当流动结构产生的溢流量足够大、入流流量与当地流动结构的流通能力相匹配时,即获得新的平衡流场。喉道高度补偿和消除滑移层吞入的尝试验证了上述理解。在反压或限流制造的临界工况,存在局限于内压缩段的"初始不稳定性"(或小喘)现象,可能与滑移层在核心流的摆动范围大有关。在马赫数为3的超额定条件下,喉道补偿系数超过35%可获得期望的波系结构,临界的"初始不稳定性"消失。增大第二级压缩角,使外压缩激波与唇口激波不相交于内流道所在高度范围,消除滑移层生成条件,在相同反压条件下消除了"初始不稳定性"现象,或者说提高了抗反压能力。     

马赫数3～6宽速域内转进气道优化设计

基于对轴对称基准流场参数化研究选取半径适当小的可变中心体,再对其他设计参数进行灵敏度分析,得到设计参数对基准流场整体性能的影响规律,系数c的影响最为明显,同时各个设计参数之间耦合效应影响也很大。运用样本数据库,构建相应的神经网络近似模型并结合邻域培植多目标遗传算法对轴对称基准流场在马赫数为6时进行三目标优化,优化后的基准流场内收缩比降低了7.7%,总压恢复系数提高了2.3%,并且静压比提高了7.1%。基于此优化结果,进行内转进气道型面设计并对其在马赫数为3～6条件下黏性数值模拟,结果表明:优化后的内转进气道在马赫数为3工作时能够正常起动,在马赫数为4～6工作时,进气道有较高的压缩量,较好的流量捕获能力和总压恢复性能。      

一种超声速进气道侧壁面流场控制研究

为改善二元超声速进气道前体激波与侧壁面边界层干扰问题,提出了一种在侧壁开泄流气缝的流场控制方法并进行了数值仿真验证,然后研究了侧壁面开缝的宽度、位置、角度等典型几何参数对进气道性能的影响规律。结果表明:设计马赫数下侧壁开缝使进气道唇口角区处的溢流明显减小,进气道内通道进口流场得到改善,进气道流量系数提高2.27%,喉道截面总压恢复系数提高3.37%;在非设计状态下,进气道性能也有一定的改善。典型几何参数研究结果表明,当侧壁开缝位置位于前体斜激波位置(L=-1.4～-0.21)、开缝宽度为0.85～1.10倍当地边界层厚度时,对进气道性能的改善效果最佳,而开缝的角度影响并不明显。     

大内收缩比进气道加速起动过程中喘振特性研究

为了研究二元超/高超声速进气道在加速起动过程中流动的非定常特性,采用二维非定常数值计算方法对内收缩比为1.63的进气道流场进行了数值模拟。研究结果表明,进气道在加速起动过程中,从不起动到起动转变时流场存在两种类型的振荡,即高频振荡与低频振荡。随着来流马赫数的增加,流动依次经历无振荡状态、低幅高频振荡状态、高幅低频振荡状态、起动状态。其中,高频振荡的频率为664Hz,低频振荡的主频率在62~100Hz,二次谐振频率低于200Hz,且高幅低频振荡持续的时间远大于低幅高频振荡的。喉道壅塞是造成流场振荡的主要因素,而观测到的二次谐振现象是由唇罩侧分离区的非定常形成和消失而导致的。     

二元混压式进气道压缩段性能快速估算及优化

冲压动力导弹的进气道性能决定了导弹动力系统的优劣,因此在冲压动力导弹设计初期,有必要对二元混压式进气道超声速压缩段性能进行快速估算及优化。针对该问题,提出将进气道外形进行参数化建模,建立基于特征线及边界层理论的进气道性能快速估算方法,并通过激波边界层干扰分离指标变量以及喉道流动参数二次修正,提高对进气道性能估算的精度。估算结果与CFD计算结果的对比,表明了该方法可以对设计状态下二元混压式进气道超声速压缩段阻力系数、平均总压恢复系数及流量系数进行具有较高精度的快速估算,最大误差不超过1.5%。此外该方法与遗传优化算法结合,对进气道超声速压缩段外形设计参数进行快速优化,使进气道压缩段阻力系数下降了13.8%,表明该结合方法可在冲压动力导弹设计初期阶段提高二元混压式进气道的性能。     

基于记忆合金的可变形涡流发生器控制唇罩激波/边界层干扰研究

为了对超声速进气道口部唇罩激波/边界层干扰进行有效的控制,提出了一种基于记忆合金的可变形大长高比涡流发生器,并通过风洞实验验证了该方案的可行性和控制效果。结果表明:在记忆合金的驱动下,大长高比的涡流发生器可以实现自主变形,并且其变形量与设计值吻合较好,在没有外界气流干扰条件下涡流发生器尾缘变形高度与设计值的相对误差为3%,在风洞吹风条件下,变形完成的涡流发生器尾缘高度与设计值的误差为5.4%。在大长高比的可变形涡流发生器控制下,进气道入口因唇罩激波/边界层干扰导致的边界层分离包被有效控制,其被分割破碎为多个沿展向分布的小尺度分离包。同时,涡流发生器尾部诱导的旋涡增强了分离包内的低能流与主流的掺混,促使分离气流迅速再附。当进气道在马赫3.8工作时,进气道出口的总压恢复系数从无控制时的0.557提升至0.603。     

滑跑条件下短舱进气道地面涡数值仿真

针对滑跑条件下短舱进气道地面涡进行了三维数值仿真研究,分析了来流风速、滑跑速度和短舱进气道距地面高度对地面涡的影响,得到了地面涡的变化规律以及对进气道流场品质的影响。研究结果表明:随着滑跑速度的增加,地面涡会向下游移动,当滑跑速度达到一定值时,地面涡消失;短舱进气道距地面高度越低,越容易形成地面涡,随着短舱进气道距地面高度的增加,地面涡向下游移动;在风速一定的情况下,随着滑跑速度的增加,地面涡强度先增加后减弱。文中给出了滑跑条件下地面涡的分界线方程,可作为是否存在地面涡的判断依据。     

超声速进气道流场和边界层计算

对设计马赫数为3.5的混压式进气道,在小迎角下作了流场和边界层计算。用内激波捕捉法计算无粘流场,用积分法计算层流和湍流边界层。结果和实验数据以及特征解一致,边界层位移厚度也合理。