基于气动辅助变轨的变气动外形飞行器概念研究--最优控制律问题

从一个天地往返飞行器的上升轨道和再入返回轨道的优化，以及适用不同飞行任务的变轨要求的气动外形问题，提出一项基于气动力辅助变轨的变气动外形飞行器的新概念研究。对于一个固定气动外形飞行器要同时满足上升轨道有效载荷最大和再入轨道热流峰值、过载峰值及机动性能约束下的成本最低往往是困难的。若同时满足不同飞行任务：飞往太空站的运输任务，空间拦截和交会机动巡航任务及星际探测任务，则更为困难，实际上是不可能的。文章研究基于气动力辅助变轨，在热流约束下，气动外形参数变化对最优控制的影响。其结论为：热流约束下的最优控制解，包括考虑推力协同变轨，除了在非约束弧的滚转角不直接受气动外形影响外，其余的控制律，升力系数和滚转角都是气动外形参数和攻角的函数。因而变气动外形可作为一项新技术，即通过气动外形参数变化和相应的变轨策略而获得性能和成本都最佳的用途很广的一种新型飞行器。     

孔排布局对叶片前缘气膜冷却的影响

采用放大的半圆柱状表面模拟涡轮叶片前缘的形状,对叶片前缘单排及两排圆柱形孔的气膜冷却效率进行了测量。试件表面交错地开有 6排孔,以驻点为起点,位置分别在± 1 5°,± 4 0°及± 60°处,各排孔的孔间距均为 3个孔径,孔轴线与表面在展向及流向的夹角分别为 30°及 90°,孔长与孔径比为 4。主要对比研究了 3种单排气膜孔不同孔排位、3种两排气膜孔不同孔排位及 1种三排气膜孔的布局对孔排下游冷却效率的影响。结果表明 :在同样二次流流量条件下,冷却效果好的单排孔位置依次为 60°,4 0°,1 5°,冷却效果最好的两排孔位置组合为 ( 40°,60°)。结果还表明 :在较大的二次流流量条件下,采用单排孔、两排孔或三排孔冷却方案对孔排下游的冷却效果影响不大;但在较小的二次流流量条件下,从冷却效果看,较好的孔排冷却方案依次为 :三排孔、两排孔及单排孔。实验参数范围是 :主流雷诺数 Re=4 2 0 0 0～ 1 2 70 0 0,平均吹风比 M =0.5～ 2.0     

双三角翼前缘剖面形状对涡运动的影响

采用数值模拟和理论分析相结合的方法,研究了前缘剖面形状对双三角翼涡运动的影响,分析了前缘剖面形状对三角翼、双三角翼涡运动影响的不同机理 :对三角翼,尖前缘可以形成组织最好的涡结构,但对于双三角翼,圆前缘生成的旋涡结构较靠近翼面,涡结构紧密,诱导能力较强,可以形成有利的涡涡干扰,使内翼涡通过剪切层向外翼涡输入涡量更加容易,合并涡变得更加稳定,推迟了涡破裂,而且由于涡较靠近翼面,因而可以产生较高的非线性涡升力,这同传统的认识是不一致的。     

基于EFFD方法的自然层流短舱优化设计

采用extended free-form deformation(EFFD)方法研究了自然层流(natural laminar flow,NLF)短舱的气动外形优化设计方法.使用基于Bernstein基函数的EFFD方法完成了NLF短舱剖面的参数化,利用基于k-εSST(shear stress transport)两方程湍流模型的γ-θ转捩模型进行自然转捩预测,结合EFFD、一种混合动网格方法、Kriging代理模型和改进的粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)建立了针对NLF短舱气动外形的优化设计框架.采用该框架分别对通气NLF短舱和带动力NLF短舱进行优化设计.单独通气NLF短舱优化结果的外表面实现48%的层流,阻力系数比初始通气NLF短舱减小了0.0003.带动力NLF短舱的优化结果外表面保持了41%的层流.这些结果表明采用相关技术建立的优化设计框架在NLF短舱设计中具有一定应用价值.     

折叠翼变体飞行器非定常气动特性实验研究

折叠翼变体飞行器是一种可以在飞行中改变自身气动外形的新型飞行器。研制出了一种折叠翼变体飞行器的风洞实验模型,在风洞实验中测得了模型不同变体位置下的气动力以及进行变体运动时气动力的动态变化过程,并通过PIV实验手段获得模型周围的流场在变体运动过程中的变化情况。结果表明：在机翼变形过程中,折叠翼模型有明显的非定常气动现象产生,而且折叠变形的速度越大,非定常现象越明显。出现非定常现象的主要原因是变体运动对机翼前缘涡的影响。     

偏转翼前缘热流分布特征

对于偏转翼,其迎风角和偏转角直接影响到前缘弧面上热流最高点的分布位置。运用球面三角学原理并基于后掠圆柱热流计算公式推导偏转翼的迎风角、偏转角和离心角（前缘弧面上偏离前缘中心线的角）之间的关系。在确定迎风角和偏转角的条件下,应用该式可以直接确定前缘弧面上最大热流的分布位置,该结果与实验及工程计算结果基本一致,可以基本满足工程使用要求。最后分析前缘上最大热流位置随迎风角及偏转角的变化规律。     

高超声速飞行器气动布局和轨道优化研究(英文)

提出了高超声速飞行器参数化模型,并在此基础上通过快速、高效的工程方法开展了初步的气动力计算。以类HTV-2布局为对象,开展了以升阻比和容积率为设计目标的气动布局优化研究;以类X-37布局为对象,开展了以航程和驻点总加热量为设计目标的弹道优化设计。采用加权求和的方法求解多目标优化问题。研究表明,通过优化可获得设计目标权重取不同值时的优化结果,各优化结果具有明显的不同,具体将哪一个优化结果作为最终的选择,主要依赖于设计者的需求。     

双喉道喷管与飞翼布局无人机气动数值研究

利用超椭圆方法,设计了双喉道射流矢量喷管的气动外形,并采用S-A湍流模型数值研究了次主流压比、次流方向及喷管外形参数对其气动特性的影响。研究表明,当确定次主流压比SPR=3时,可依次确定该型喷管外形参数分别为空腔长度l=3h,空腔扩张角θ1=10°,空腔收敛角θ2=30°,二次流注入角α=120°时,矢量喷管的气动特性最优。将设计的气动最优喷管与飞翼布局无人机后体进行一体化设计,数值模拟了喷管对飞翼布局无人机升阻特性的影响,结果表明,双喉道射流矢量喷管能够很好地运用于飞翼布局无人机。     

用于波音787的新型复合材料机翼除冰系统

在机械系统方面,现代商业飞机通常采用一系列管道从发动机内部引入加热的空气,通过加热空气在结冰机翼表面内侧的流动加热附近的机翼表面,从而达到除冰的目的。但是这不仅会使设计变得复杂,同时还会降低发动机的有效推力。所以,多年来研究人员一直在开发一种替代技术,即向机翼前缘表层里面置入导电元件来直接加热机翼表面,使冰层不会聚集变厚。     

机械蝴蝶模型悬停飞行的流动显示实验

为了探索蝴蝶独特的外形及运动模式下蕴含的流动机理,与以往只考虑翅膀气动影响的拍动翼实验不同,我们开发了一种同时考虑身体及翅膀的机械系统用以模拟蝴蝶的悬停飞行,并采用染色液流动显示的方法对升力的主要来源——前缘涡进行了细致的观测。结果显示,在蝴蝶飞行的上下拍动过程中均有前缘涡产生,且不是以往观测到的螺旋或锥状结构,而是近似等直径的柱状联通形式,其明显特征为：在拍动加速阶段存在明显的展向流动,而在减速阶段则会出现破裂;另外,蝴蝶看似杂乱无章的运动实际上是一种自适应控制的结果,有助于提高升力。