带气膜冷却结构的高超声速平板不同前缘形状下表面传热特性研究

当带红外成像制导系统的飞行器在稠密大气层内做高超声速飞行时,必须采取主动冷却方式防止严重气动加热造成的窗口材料热畸变以及复杂流场造成的气动光学畸变。本文根据成像窗口周围流动具有受高超声速钝头体绕流和气膜冷却结构(即背面为空腔的超声速后台阶)共同作用的特点,在 KD-01高超声速炮风洞中开展了带气膜冷却结构的高超声速平板在不同前缘形状下表面传热特性的试验研究,测量了 Ma8来流条件下喷缝下游表面传热系数,试验获得了2种前缘形状的带气膜冷却结构的高超声速平板喷缝周围瞬态流场 NPLS 图像。通过分析试验数据,得出以下结论:对于带气膜冷却结构(气膜不工作状态)的高超声速平板,模型前缘的形状对喷缝下游区域的表面热流整体分布有明显影响,在钝前缘情形下,表面热流分布接近相同前缘形状的平板边界层为层流状态时的表面热流分布;在尖前缘情形下,表面热流分布则表现出从层流边界层状态向充分发展湍流边界层状态变化的特性;喷缝下游分离和再附区表面传热特性和超声速后台阶流动类似,取决于喷缝上缘处边界层相对厚度。     

快响应PSP技术用于高超声速圆柱绕流的非定常压力测量

压敏涂料(PSP)技术是飞行器风洞实验大面积定量测压和流动显示的重要工具。为了发展非定常流动压力测量和脉冲风洞中全局压力测量能力,航天空气动力技术研究院开发了快速响应压敏涂料技术,与中科院化学所共同合作开发的压敏涂料采用PtTFPP作为发光基团,稳定性较强,持续光照下发光强度衰减为1.5%/h。采用自主研制的静态标定设备在标定腔内测量不同温度和压力条件下20mm×20mm涂料样片的表面发光强度来确定涂料的压力响应特性和Stern-Volmer公式,并设计制作了2套快响应时间动态标定设备,测得涂料典型响应时间在0.2ms。在中国航天空气动力技术研究院FD-03高超声速风洞中对平板圆柱装置进行了Ma=5的 PSP 试验,利用高速相机采集图像数据后,经过批量数据处理,采集频率为250Hz,得到了间隔时间4ms 的连续压力场数据。结合纹影图像和油流图对得到的PSP结果进行了分析,利用同时采集的测压孔数据对PSP 结果进行了比较。试验结果表明,快响应PSP技术可以更详细地显示流场结构,并能同时得到很好的定量压力数据。     

高超声速飞行器自适应抗饱和再入控制

高超声速飞行器（Hypersonic vehicle,HSV）再入过程中易发生舵面饱和现象,并且其动力学模型具有强烈不确定的特征,这导致其姿态控制系统的设计极富挑战性。针对舵面受限的非线性控制问题,提出外部Anti windup系统结合二阶Terminal滑模控制律的设计方法,能够实现对气动舵面饱和的控制补偿,使HSV快速平稳地跟踪指令信号。其次,针对HSV的强不确定控制问题,提出自适应滑模干扰观测器（Adaptive sliding mode disturbance observer,ASMDO）的方法来对再入气动参数不确定及强外界干扰进行估计,此方法无需干扰界已知且学习参数少,适合实时控制。最后, 再入姿态控制的仿真结果表明了该控制方法的有效性和强鲁棒性。     

新型高超声速进气道边界层人工转捩方法研究

为确保高超声速进气道的安全工作,其压缩面边界层在进入其内流道前必须完成转捩。针对高超声速进气道边界层转捩需要,依据二维高超声速边界层转捩机理,尝试了一种新型低阻高效的边界层人工转捩方法,在FD-07风洞中开展了试验验证。试验中首先通过进气道对称面压力分布和激波纹影获得进气道的自起动情况,进而推断进气道入口前的边界层转捩情况。试验包括进气道前体边界层自然转捩和人工转捩,试验结果表明在Ma=5、6,迎角α=0°来流条件下,使用同一波长的人工转捩带可以成功实现进气道边界层转捩,验证了基于线性稳定性理论设计的人工转捩带在宽马赫数范围的适用性。     

常规高超声速风洞的节能方案研究

为了适应高超声速飞行器发展的要求,常规高超声速风洞的建设规模向2m量级发展。但是,随着风洞尺寸的增加,风洞运行所耗费的能源剧增。如何在满足高超声速飞行器试验对风洞尺寸要求的条件下,节省风洞运行时的能量消耗,已成为常规高超声速风洞设计技术发展必须考虑的重要问题。针对这个问题,从常规高超声速风洞气动布局的角度进行了初步探索。首先总结了现有常规高超声速风洞的气动布局;在此基础上,对常规高超声速风洞的能量运行特点,以及不同布局中工作气体余热的处理情况进行了分析;然后结合常规高超声速风洞的运行特点,分析了风洞中可能采用的余热利用技术;最后,提出了一种基于余热利用的常规高超声速风洞布局方案,并对该方案中的关键问题进行了讨论。文中对于该方案的节能情况进行了分析,结果显示,该方案相对于已有的气动布局具有明显的节能效果。     

基于特征参数的吸气式高超声速飞行器上升段轨迹优化

针对吸气式高超声速飞行器上升段轨迹优化问题,提出并研究了基于特征参数的轨迹优化方法。首先,建立了吸气式高超声速飞行器动力学模型,给出了气动力和推力模型。根据上升段轨迹特性,建立了基于指数函数和多项式的控制变量的取值模型。该模型取决于若干特征参数,从而将一个求解泛函的最优控制问题转化为求解特征参数的非线性规划问题,并采用序列二次规划算法求解。针对初值敏感性,提出了基于遗传算法的初值选取方法,以及基于物理意义的手动选取方法。     

SFD方法模拟高超声速进气道中激波与边界层干扰

采用ＳＦＤ方法,在ＥＸＣＥＬ软件上利用ＮＮＤ格式数值模拟了激波与平板边界层之间的相互作用以及激波与管道壁面边界层的相互作用,即高超声速进气道隔离段内激波串流动现象。该方法的特点是简单、直观而且不用常规编程,计算结果基本反映了流场的基本结构,表明ＳＦＤ方法是一种具有潜力的计算方法。     

X—38飞行器无粘绕流的非结构网格模拟

本文采用非结构网格，利用DLR所发展的计算软件TAU对X－38飞行器高超声速无粘绕流进行数值计算。为了生成有效的计算网格及提高对流场细节的分辨率，在求解过程中应用了网格自适应,并研究了网格密度对气动力的影响程度；同时与现有的实验结果和用结构网格得到的结果进行了比较，符合程度令人满意。     

双模态冲压发动机高超进气道的实验研究

设计了侧压角为6°,后掠角45°,斜楔板压缩角分别为4°和8°的两套带隔离段的高超三维侧压式进气道,通过风洞实验研究了来流马赫数、出口反压、斜楔板压缩角以及隔离段等对进气道性能的影响.实验结果表明,在高来流马赫数及较小的斜楔板压缩角时,进气道的流量系数、总压恢复系数较高.总增压比在不同斜楔板压缩角时基本保持不变.     

分区对接网格算法的应用研究

本文应用分区对接网格技术，由于采用了对接面上网格点完全对应的方法，能自动满足通量守恒和计算的稳定性。采用有限体积算法下的原始变量型NND格式，求解NS方程，数值模拟了复杂外形的高超声速层流流场，计算结果与实验测量符合较好。