高超声速导弹等离子体合成射流控制数值研究

快响应控制技术已成为高超声速飞行器发展的关键技术之一,具有极快响应、零质量特性的等离子体合成射流(PSJ)已在超声速流动控制方面初步显示出优异的控制能力,极有潜力应用于高超声速飞行器的快响应控制。基于等离子体合成射流的快响应特性,提出了高超声速飞行器等离子体合成射流快响应控制技术,并通过建立简化的高超声速导弹流场控制模型,对等离子体合成射流控制高超声速导弹进行数值研究。首先,理论分析了高超声速导弹流场的典型结构特征,导弹流场中存在3个特征流场结构。在此基础上,在导弹3个特征位置前面安装等离子体合成射流激励器,研究等离子体合成射流对高超声速流场结构的控制作用,分析由此导致的导弹表面压力分布、升阻特性以及俯仰力矩特性变化。数值仿真结果表明:等离子体合成射流对高超声速导弹外流场中膨胀波和斜激波都具有控制作用,使得波的强度均变弱,且对斜激波的控制效果更为显著;导弹流场结构及气动特性变化具有很强的射流跟随性,射流作用下的导弹流场变化响应时间非常短,仅为0.2 ms;通过合理布置等离子合成射流激励器的位置,可以使得导弹表面压力分布快速改变,从而实现高超声速导弹姿态的快速控制。     

Streamwise-body-force-model for rapid simulation combining internal and external flow fields

A streamwise-body-force-model (SBFM) is developed and applied in the overall flow simulation for the distributed propulsion system, combining internal and external flow fields. In view of axial stage effects, fan or compressor effects could be simplified as body forces along the streamline. These body forces which are functions of local parameters could be added as source terms in Navier-Stokes equations to replace solid boundary conditions of blades and hubs. The val-idation of SBFM with uniform inlet and distortion inlet of compressors shows that pressure perfor-mance characteristics agree well with experimental data. A three-dimensional simulation of the integration configuration, via a blended wing body aircraft with a distributed propulsion system using the SBFM, has been completed. Lift coefficient and drag coefficient agree well with wind tun-nel test results. Results show that to reach the goal of rapid integrated simulation combining inter-nal and external flow fields, the computational fluid dynamics method based on SBFM is reasonable.     

惯性静电约束推力器放电过程数值模拟研究

为了研究惯性静电约束推力器(Inertial Electrostatic Confinement Thruster,IECT)的放电原理和工作机制,采用漂移-扩散流体模拟方法,基于圆柱形惯性静电约束推力器的结构,研究不同栅网线直径、栅网个数、推力器尺寸条件下等离子体放电情况和阴极电压、背景气压对推力器放电的影响。结果表明:在所研究条件下,保证阴极必要的几何透过率的同时,适当增加推力器栅网个数可以提高喷射离子密度,减小羽流发散角;随着阴极电压和背景气压的增大,推力器喷射的等离子体密度增大。但是,压强继续增大会达到临界值,等离子体被约束在推力器内部无法喷出,即喷射模式无法运行,故阴极电压与背景气压对IECT均有较大影响。     

翼身融合运输机分布式电推进系统设计及油耗评估

针对翼身融合运输机开展了分布式电推进系统的总体设计与油耗评估。通过数值计算完成了70t载质量翼身融合飞机的气动设计与优化。在巡航马赫数为0.80和10km高度的设计点,最大升阻比达到了24。通过求解积分边界层方程组,完成了电推进系统的总体设计。电推进系统包含10个推进风扇,风扇直径为1.45m,压比为1.35,巡航功率为2.94MW。建立了考虑燃烧过程的发动机一维性能模型,对发动机油耗进行了评估,获得了不同发动机循环参数下燃油消耗。建模结果表明,基于翼身融合布局和分布式电推进技术,可使运输机的油耗较C-17节省近50%。      

反推装置对翼身融合分布式推进系统气动性能影响数值模拟

为了研究新型反推装置对翼身融合分布式推进系统气动性能的影响,将机身简化为二维模型,利用数值模拟的手段来研究攻角、反推开度,以及风扇打开或关闭对飞行参数的影响,为翼身融合分布式推进系统的反推装置设计提供初步的意见和建议。结果显示:反推闭合和风扇打开之后该机型的升力系数和俯仰力矩系数都会有较大增加;随着反推开度的增加,升力系数和俯仰力矩系数也随之增加;来流攻角对翼身融合分布式推进系统的气动性能也有较大影响。      

(100)/(111)面金刚石膜抗氧等离子刻蚀能力

使用微波等离子体技术(microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)对膜厚100μm的(100)和(111)晶面金刚石膜进行刻蚀处理,研究其抗氧等离子体的行为。结果表明:(100)晶面刻蚀首先发生在晶棱晶界处,而(111)晶面金刚石的刻蚀首先发生在晶面处;30 min刻蚀后,(100)面金刚石有明显晶面显现,(111)面金刚石膜晶面不明显;60 min刻蚀后,(100)和(111)晶面金刚石膜的择优取向消失;(100)晶面金刚石特征峰的半高宽值(full width at the half maximum,FWHM)由刻蚀前的8.51 cm^–1上升至刻蚀后的12.48 cm^–1,(111)晶面金刚石FWHM值由8.74 cm^–1上升至148.49 cm^–1;(100)晶面金刚石膜刻蚀速率在40 min时为0.35μm/min,60 min时上升至1.34μm/min;刻蚀前期,(100)晶面金刚石膜具有更好的抗氧等离子体刻蚀能力,刻蚀后期其抗刻蚀能力与(111)晶面金刚石膜相似。     

不同类型多级等离子体激励器诱导气流的力学特性研究

等离子体激励器通过产生的等离子加速气流,可以实现对流动的控制。单级等离子体激励器由于受到等离子体放电的物理限制,其控制作用较小;为了提高等离子体流动控制的效果,关于多级等离子体激励器的研究得到发展。采用图像采集和粒子示踪测速系统(PIV),对传统多级等离子体激励器和多级双极性等离子体激励器的放电现象以及气流加速进行研究,并通过流场速度分布计算等离子体激励器对空气产生的推力和吸力。结果表明:随着电压的升高,传统多级等离子体激励器产生的推力和吸力会逐渐减弱;而多级双极性等离子体激励器产生的推力和吸力均呈逐渐增强的趋势。     

一种超声速状态下机载推进系统模型的建模方法

为了满足机载航空推进系统模型对精度、实时性及数据存储量的苛刻要求,提出了一种机载模型建模方法.对传统的机载稳态模型建立过程中使用的相似准则进行了充分讨论,得出了一种具备更高建模精度的相似准则.在新的相似准则基础上,建立了包含泰勒展开式中非线性2阶项的高精度稳态变量模型,有效解决了分段线性稳态变量模型在大包线、变状态条件下精度难以保证的问题;为了解决超声速状态下安装推力与发动机净推力差别较大的问题,建立了考虑外流特性的简化进气道模型,给出了一种计算安装推力的方法,即由简化发动机模型计算安装推力中符合相似准则的部分,由进气道模型计算溢流阻力、放气阻力及发动机推力中不符合相似准则的部分.仿真结果表明:基于新的相似准则所建立的机载模型具有大包线、变状态适应性,输出参数误差均在0.5%以内.      

感性耦合夹层等离子体隐身天线罩电磁散射分析

设计了一种石英夹层感性耦合等离子体（ICP）隐身天线罩模型,采用有限元与Z变换时域有限差分（ZT-FDTD）联合仿真的方法,建立了ICP放电的流体模型,得到不同气压及功率下与电磁散射相关的电子密度空间分布,在此基础上建立Z变换时域有限差分法模型,对石英夹层等离子体隐身天线罩的宽频段后向散射进行计算,同时利用微波干涉法及XFDTD软件对算法及程序进行验证。结果表明：感性耦合等离子体可产生较高密度等离子体,能有效实现雷达散射截面（RCS）的减缩,在气压为2 Pa时,碰撞衰减较弱,等离子体密度分布较均匀,衰减带宽集中在等离子体振荡频率附近,功率增加会使衰减峰值向高频方向移动,气压为20 Pa时,碰撞衰减增强,且等离子体密度分布有较大梯度,衰减带宽有效增加,同时RCS曲线的波动特性加强。     

天线窗材料热透波特性风洞测试方法

高超声速飞行器天线窗材料在等离子体包覆条件下的热响应和热透波特性测试,是分析天线窗材料特性、研究电磁波在等离子体和天线窗中传输特性的基础。针对等离子体和天线窗中电磁波传输特性,采用矢量网络分析仪和标准增益天线组成的电磁波传输测试系统,获得了一定频率的电磁波经过等离子体和高温天线窗之后的衰减;针对高温天线窗自身热响应特性和电磁波在其中的传输特性,研究了天线窗材料在一定热流作用下的温度分布和烧蚀特性,测试了烧蚀后处于高温状态且无等离子体覆盖的天线窗对电磁波的影响,分析了天线窗高温透波特性与常温透波特性的差异。所建立的方法,为在地面等离子体风洞中开展天线窗热透波特性研究、分析天线窗和等离子体耦合作用对电磁波传输特性的影响建立了基础。