Conceptual study and key technology development for Mars Aeroflyby sample collection

Conceptual study of Mars Aeroflyby Sample Collection (MASC) is conducted as a part of the next Mars exploration mission currently entertained in Japan Aerospace Exploration Agency. In the mission scenario, an atmospheric entry vehicle is flown into the Martian atmosphere, collects the Martian dust particles as well as atmospheric gases during the guided hypersonic flight, exits the Martian atmosphere, and is inserted into a parking orbit from which a return system departs for the earth to deliver the dust and gas samples. In order to accomplish a controlled flight and a successful orbit insertion, aeroassist orbit transfer technologies are introduced into the guidance and control system. System analysis is conducted to assess the feasibility and to make a conceptual design, finding that the MASC system is feasible at the minimum system mass of 600 kg approximately. The aerogel, which is one of the candidates for the dust sample collector, is assessed by arcjet heating tests to examine its behavior when exposed to high-temperature gases, as well as by particle impingement tests to evaluate its dust capturing capability.     

低雷诺数下50°后掠三角翼的旋涡流动

采用数值模拟和流动显示的方法研究了50°后掠角三角翼在低雷诺数下的旋涡流动,结果表明:低雷诺数下,非细长三角翼在5°攻角时就形成了稳定的前缘涡,较小攻角时前缘主涡就开始破裂,并观察到泡型和螺旋型两种旋涡破裂方式。另外,在一定的攻角范围内,前缘主涡的外侧又生成一对新的集中涡,构成双涡结构;随着攻角的增大,前缘涡涡核不断升高,主再附线向中心移动,二次分离区扩大。     

包含平均旋流的圆环管道声传播的模态分析

通过对三维线化欧拉方程的特征模态分析,研究包含平均旋流情况下声波在敷设声衬的圆环管道中的传播.特征模态分析采用谱配置方法计算轴向波数谱及扰动量的分布.当有平均旋流存在时,特征模态谱主要包括近/纯声模态和近/纯对流模态,旋流的存在甚至会改变传播模态个数,从而改变声波传播截止特性.在验证程序正确性的基础上,研究流动参数及声衬对声模态及对流模态的影响.      

关于三维Navier－Stokes方程的粘性项计算

借助于张量分析和张量计算,在贴体曲线坐标系下本文讨论了不同求解变量导致了粘性项个数上的重大差异和不同大小的计算量,并提出了便于粘性计算的最佳形式。文中借助于有限体积离散技术,通过引进两个对称辅助矩阵［Ａ］和［Ｂ］,使粘性项的计算量大大减少,这对完成三维粘性流的数值计算具有重要的指导意义。借助于上述方法,本文完成了某型真实进气道两种工况的三维粘性Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程计算（即Ｍ∞＝３．０,α＝０°和设计工况Ｍ∞＝２．６５,α＝０°）,获得了满意的全场结果;对于Ｍ∞＝２．６５的设计工况,同实验数据作了比较,符合良好。由于本文的方法明显的减少了粘性项的计算量且节省了大量内存,以致于使三维流场的Ｎ－Ｓ求解能在普通微机上进行。     

欧拉方程多重网格方法及三维跨声速大迎角流动数值计算

本文给出一种粗、细网格时间步长可调整匹配至最优组合的多重网格方法以获得在最细网格上最大的加速收敛效益,二重网格中节省机时可达３５％。文中的数值方法可用于飞行器跨声速大迎角无粘有旋的涡干扰流场的模拟研究。     

双环预混旋流燃烧室点熄火性能试验研究

为了通过试验方法获得贫油点熄火边界,以双环预混旋流低污染燃烧室为研究对象,分析主燃级径向旋流器的叶片角度、旋转方向及多斜孔壁火焰筒的冷却孔偏转角等参数对燃烧室点熄火性能的影响。结果表明：主燃级旋流器叶片角度对燃烧室的点火性能影响不大;火焰筒冷却孔有偏转角且方向与主燃级旋流器旋向相同时的点火性能优于旋向相反时的点火性能;预燃级旋流器与主燃级旋流器旋向相反时,火焰筒冷却孔有偏转角且方向与主燃级旋流器旋向相同时的点火性能优于无偏转角时的点火性能,旋向相同时,则无明显影响;火焰筒冷却孔无偏转角时,预燃级旋流器与主燃级旋流器旋向相反的贫油熄火性能优于旋向相同时的贫油熄火性能。     

湍流数据同化技术及应用

近年来数据同化（DA）被引入湍流动力学研究中,通过融合实验测量和数值计算,提高了实验测量的精度和广度,改善了数值模拟的预测性能。实验观测、预测模型和同化算法是数据同化的三要素,湍流研究中的实验观测包括热线风速仪、粒子图像测速法（PIV）、压力传感器等局部测量数据,预测模型主要指流动控制方程及湍流封闭方程,而同化算法包括贝叶斯推断、集合卡尔曼滤波（EnKF）、伴随等。稳态数据同化一般结合雷诺平均Navier-Stokes （RANS）模型方程,从重新标定模型常数、修正涡黏模型方程形式误差、修正雷诺应力项等方面着手。非稳态的数据同化一般包括四维变分（4DVar）等时间连续的数据同化方式以及顺序数据同化。4DVar通过时间正向和逆向积分迭代,存储量和计算量都非常大。顺序数据同化不需要时间逆向积分,可以在若干时刻对实验观测进行间断地植入,正向求解整个系统。另外,随着人工智能的飞速发展,湍流数据同化研究也向智能化迈进。对于纯数据驱动的湍流机器学习,其缺乏物理本质的约束,而基于物理信息的机器学习在物理本质上与数据同化是一致的。     

飞行员的第三只

某新型头盔在弹射出舱试验时,由于受气流冲击作用,外盔遭撕裂破坏。该头盔内外盔之间存在较大的空腔,初步分析认为,弹射出舱时,外部高速气流通过缝隙（护目镜与氧气面罩之间、泄流孔等）冲入空腔,将可能产生较大冲击载荷。针对此特点,采取的求解策略为,首先求解定常N-S方程,模拟缝隙打开前头盔的外部流场;然后求解非定常N-S方程,模拟打开缝隙后外部高速气流冲击内外盔空腔的非定常过程,从而近似模拟头盔弹射出舱过中遭遇气流吹袭的瞬态过程。同时研究了来流速度、弹射高度以及迎角等因素对头盔遭遇气流冲击的影响,分析了内外盔遭受的动态载荷。研究结果表明：在高速气流冲击下,该头盔外盔侧边缘的瞬间内外压差达到0.6个大气压,且分布不均,可能是造成其被撕裂的主要原因。     

轴向旋涡强化矩形喷流掺混的机理研究

本文介绍了在低速射流风洞上开展的二维喷管来流带旋涡的模拟实验。通过流场观察,壁面静压和矩形喷流三维流场的测试。