高升阻比乘波体外形设计及气动特性计算研究

采用数值模拟方法研究在设计点(马赫数6,迎角0°)锥导乘波体气动外形的设计方法及其基本气动特性,以及在非设计点时该乘波体的气动特性,即各个气动系数随迎角和马赫数的变化特性.研究表明:基于无粘锥形流的乘波体气动外形的反设计方法是成功的;在设计点附近选取合适的半基准圆锥激波角并考虑粘性影响时,可得到乘波体最大升阻比为3.36;给出了采用这一布局的单级入轨运载器的可行的飞行控制方案;分析提出了进一步提高该乘波体气动布局升阻比的有效途径.      

发展用于高速飞行器前体/进气道匹配设计的逆特征线法

发展了一个可以在给定激波形状的条件下得到相应型面的逆特征线法,解决了前人方法求解鲁棒性和精度差的问题.对于一个非均匀超声速来流下给定形状的激波,该方法可求解出能生成该激波的气动型面及依赖域流场.数值校验表明:在马赫数为5的来流条件下逆特征线法按给定的圆锥激波计算的圆锥形状(锥顶角)相对误差小于0.5‰;通过两级轴对称激波的流场校验计算,可精准地求解出对应于此流场的两级外压缩圆锥.应用该方法设计了3个气动问题的造型:具有两级激波的Bump型面、马赫数为4的乘波前体以及乘波前体与进气道一体化造型.流场CFD计算结果显示这些造型设计效果良好,说明该逆特征线法可为这些问题的提供了一种途径.     

非均匀来流下三维激波反问题的微元密切轴对称解法

传统的密切轴对称理论被广泛应用于均匀来流下的三维密切曲面激波反设计，为解决非均匀来流条件下的三维曲面激波反问题，提出了一种微元密切轴对称流场（MOA）求解方法。该方法沿激波面的周向和流向构建一系列微元密切面，在每个微元面内进行三维向二维流动的等效转换，从而突破了传统密切方法中不能有横向波后流动的限制。利用该方法编写设计程序，分别基于带攻角来流条件和外锥型流来流条件重构了标准内锥曲面激波，并与数值仿真结果进行了比较。结果表明，非均匀来流下激波曲面的三维形状均与预设形状完全一致，实现了非均匀来流下曲面激波形状可控。MOA方法在吸气式高超声速推进领域中前体/进气道一体化设计方面有重要应用前景。     

压力分布可控的高超声速进气道/前体一体化乘波设计

在二维弯曲激波高超声速进气道基础上,发展了一种压力可控的进气道/前体一体化乘波设计方法。通过事先指定前体/进气道壁面压力分布,结合二维特征线反设计方法,可以逆向设计出流向、横向压力分布规律都可控的进气道/前体外压缩段型面。采用该方法,设计了一种二维进气道/前体一体化方案,并对其进行数值模拟。结果表明：设计状态下,与不带侧板二维进气道相比,此类一体化方案中的进气道设计状态流量系数提高27%,出口压比提高48.5%,总压恢复系数提高10%;与楔导乘波理论设计的一体化方案相比,压力可控的一体化方案具有相似的外形尺寸和乘波特性,但进气道流量系数则较楔导乘波方案提高了5%,进气道出口压比提高6.4%,总压恢复系数提高2.3%。     

新型乘波体设计及其研究现状

将乘波体设计方法与常规飞行器成熟的设计方法和智能变形等新技术进行结合,可以设计出新型的乘波体,如多级压缩乘波体、双(多)级乘波体和可变形乘波体。对近几年出现的几类新型乘波体的设计及其研究进展进行了总结。新型乘波体的总体性能得到了显著提高,多级压缩乘波体可充分发挥其预压缩性能,两(多)级乘波体在设计点和非设计状态下均具有良好的气动性能,可变形乘波体在宽马赫数条件下始终能保持优良的气动性能。新型乘波体增强了实用性,可用于宽速域高超声速飞行器的气动外形设计中。应进一步拓展这些新型乘波体设计方法的应用范围,并深入开展宽速域高超声速乘波飞行器气动外形设计和性能分析,以期为乘波飞行器的研制打下坚实的基础。     

马赫数离散方式对吻切锥变马赫数乘波飞行器构型和气动性能的影响

为进一步认识吻切锥变马赫数乘波飞行器（Osculating Cone Variable Mach number WaveRider,OCVMWR）设计方法、拓展乘波飞行器在空天飞机等可重复使用飞行器设计领域的实用性,利用数值仿真方法对比了设计马赫数离散方法对吻切锥变马赫数乘波飞行器几何构型和气动性能的影响。为确保开展的研究具有代表性,从函数的（非）线性、单调性和凹凸性3个方面出发,选取了线性递减函数、正弦函数、余弦函数、1-正弦函数和1-余弦函数作为给定设计马赫数区间的离散方法。研究结果表明,设计马赫数离散方法的不同特性均对OCVMWR的几何构型和气动性能产生了不同程度上的影响;其中,单调性的影响最大。具体来说,离散方法具有单调递增性质的OCVMWR构型比具有单调递减性质的OCVMWR构型在构型中间处更长、更厚一些,而在构型边缘处则更窄一些;同时,其升阻比更低。     

高超声速乘波体飞行器机身/发动机一体化关键技术研究

飞行器在高空中作长时间巡航飞行时,对升阻比提出了极高要求,而高超声速乘波飞行器因其具有高升阻比、均匀的下表面流场以及高度一体化性能得到研究者重视,成为未来空间飞行器新的研究热点.简要介绍了高超声速秉波体飞行器机身/发动机一体化国内外研究进展,着重阐述了其关键技术及其研究,主要包括前体/进气道一体化技术、燃烧室构型优化技术和尾喷管/后体一体化技术,并对未来高超声速秉波体飞行器构型的进一步发展提出了设想--采用流线追踪思想,以Busemann进气道和圆形或椭圆形燃烧室作为其推进系统的两大重要组成部分,同时其机身具有膨胀上表面.     

弹用内乘波式进气道起动性能研究

 为弄清内乘波式进气道在低马赫数状态下的流动特征,分析影响内乘波式进气道起动能力的因素,研究与弹体匹配设计的内乘波式进气道的起动问题。首先基于一种有利于出口均匀性的基本流场,采用流线追踪技术,设计了来流马赫数为4.0且进出口形状适应弹体安装要求的双模块弹用内乘波式进气道;此后,采用计算流体力学(CFD)方法获得了低马赫数下进气道的三维波系结构和流动特征。研究表明,进气道溢流口位置是影响内乘波进气道起动能力的重要因素:在溢流口位置由两侧改至最下端后,起动马赫数由3.6下降为3.3;采用单模块方案,溢流口设置在下端后,起动马赫数下降为3.25。此外,设计内乘波式进气道基本流场也对起动性能有影响:设计出口马赫数不变,双模块方案下,入口气流偏转角每增大2°,起动马赫数约下降0.1;单模块方案下,提高入口气流偏转角最大可使起动马赫数下降为3.1;进气道内收缩比对起动能力的影响体现在入口气流偏转角不变时,进气道起动能力仅取决于内收缩比,设计出口马赫数每增加0.2,起动马赫数约减小0.2。研究所分析的各个弹用内乘波式进气道在设计条件下均可捕获99%的来流,在扩大了工作马赫数范围的同时,保持了高流量捕获性能和高总压恢复系数的优势。     

乘波前体两侧高超声速内收缩进气道一体化设计

为了探索两侧进气系统的流场结构及气动性能,采用吻切锥乘波前体、压升规律可控的一种高超声速内收缩进气道设计了两侧进气布局的高超声速飞行器一体化进气系统,并进行了数值模拟,研究了进气系统的流场结构、速度特性、攻角特性以及侧滑角特性等。结果表明,设计点前体外流场和进气道内流场相互独立,接力点前体前缘激波和进气道前缘激波相互耦合。由于未吞入前体附面层,因而进气道内激波附面层相互作用较弱,没有产生分离;随来流马赫数增大,进气道总压恢复系数减小,增压比增大显著,升阻比几乎不变;随攻角增大,流量系数增大明显,总压恢复系数略有减小,增压比增大明显,升阻比逐渐增大;随侧滑角增大,进气道总体性能逐渐减小,迎风侧进气道性能下降较小,背风侧进气道性能下降明显。     

基于超燃冲压发动机的HIFiRE项目飞行试验研究进展

飞行器在临近空间内的气动特性及发动机性能一直是各国高超声速项目研究的重点,为探索边界层转捩、激波边界层相互作用以及气动加热效应,美澳牵头于2006年联合启动了HIFiRE项目,采用探空火箭发射进行重点技术验证的模式开展了系列创新性研究。项目重点关注20~38km空域,4~8速域飞行马赫数,试验方案通过单项验证、系统集成的思路逐步深入,将一体化设计的乘波体从无动力滑翔推进到有动力巡航,最终完成带超燃冲压发动机高升阻比飞行器的总体性能测试。研究结果表明:①试验飞行器的边界层转捩高度在35~25km;②乘波体飞行器在飞行马赫数为7时最大升阻比为5.6;③超燃冲压发动机的飞行试验中,在86.2kPa的恒定动压下,飞行马赫数从5.5加速到8.5,试验中发动机实现了从亚燃到超燃的模态转换。