地面对双轨超声速火箭橇的气动特性影响研究

地面对动态滑行状态下双轨火箭橇的气动特性有较大影响。本文采用尺度自适应(SAS)方法和动网格方法结合的策略对Ma 2的双轨火箭橇进行数值模拟,研究了地面导致的流场变化、气动力及其时域和频域特性。结果表明,激波和压缩波在地面设施的反射会导致双轨火箭橇下表面出现6处额外的高压区,其中4处的形状和强度会随反射位置发生变化;地面导致升力时均值提升了9.6倍;气动力呈现明显的同频周期性振荡,升力振荡幅值为时均值的28.6%,阻力振荡较小。为双轨火箭橇的减阻减振工作提供参考依据。

高超声速火箭橇气动特性优化与风洞试验

为研究如何在不额外增加稳定装置的基础上提高超声速条件下火箭橇的在轨运行稳定性,基于数值分析方法开展了高超声速火箭橇气动特性优化设计,并通过风洞试验对优化后的橇体进行了不同工况下的气动特性研究。建立了基于SST湍流模型、N-S控制方程的火箭橇气动特性数值分析方法,通过经典双椭球模型对计算方法的准确性进行验证。基于气动特性数值分析方法开展橇体气动外形设计,对整流板俯仰角、侧偏角以及前、后滑靴的位置进行优化。通过风洞试验对优化后的橇体进行不同工况下的气动特性研究,分析马赫数、雷诺数以及轨道和地面效应的影响。研究结果表明:火箭橇高超声速气动特性数值分析方法的精度约为86.94%,可以用来模拟火箭橇在高超声速流场中的气动特性;在Ma=5时,优化后的模型相较于优化前的模型,气动阻力减小了约23.57%,气动升力减小了约38.49%;随着马赫数的增加,橇体阻力系数呈下降趋势,当Ma从4增加到6,橇体的阻力系数下降约19.98%;橇体升力系数与俯仰力矩系数均随着雷诺数的增大而增加,Ma=5,当雷诺数从1.80×10^(7)变化到3.60×10^(7)时,橇体的阻力系数与俯仰力矩系数分别增加约8.95%和13.09%;轨道和地面会导致橇体阻力系数、升力系数和俯仰力矩系数同时增加,其中俯仰力矩系数的变化最为显著,3组对比试验的俯仰力矩系数平均增量约为992%。该研究可为高超声速火箭橇设计提供数据支撑,具有一定的工程应用价值。

高超声速火箭橇凿削磨损机理分析

针对高超声速下火箭橇运行过程中凿削磨损产生的机理模糊不清问题,基于有限元-光滑粒子流体动力学法(FEM-SPH法),利用有限元软件ABAQUS构建了三维火箭橇靴-轨模型,FEM-SPH法是一种既能保证计算精度,又能克服网格畸变的新型模拟方法。在该模型中,滑靴和轨道所使用的材料分别为VascoMax 300钢、AISI 1080钢,并赋予各自材料属性,通过设定航向速度为2000 m/s,竖直速度为2.5 m/s以及温度为673 K,模拟了高超声速下靴-轨凿削磨损现象的演变过程。模拟结果表明:凿削磨损是在高温高应力作用下和靴-轨之间形成嵌入式结构后,经过持续地破坏滑靴底部所产生的,最终形成泪滴状蚀坑。进一步分析表明,竖直速度和温度的增加都会提高凿削发生的概率。在航向速度为2000 m/s、初始温度为673 K时,竖直速度超过1.50 m/s就会发生凿削现象;在航向速度为2000 m/s、竖直速度为2.5 m/s,温度超过293 K就会发生凿削现象。该研究成果不仅有助于高超声速下靴-轨凿削磨损的产生机理进一步完善,还为高超声速火箭橇试验的安全发射提供了新的理论支持。

基于火箭橇的变马赫气流扩张通道研究

针对火箭橇气流通道装置开展设计与数值模拟研究。首先,将气流扩张通道内部划分为初始源流膨胀区、消波区和均匀流试验区,然后,应用Foelsch方法对初始膨胀段型线进行设计,采用基于轴线马赫数预设的特征线方法对过渡消波段进行设计,最后,针对扩张比为2.5的火箭橇气流扩张装置,在运行速度为1.5Ma、2Ma、2.5Ma和3Ma条件下开展数值模拟分析,结果表明,通道进口膨胀波随着运行速度的增加而减弱,1.5 Ma速度条件下的相对压力峰值为0.14 MPa,3 Ma速度条件的相对压力峰值为0.018 MPa,相对压力峰值下降约87%,使进口条件得到改善,最大马赫数模拟偏差为3.9%,静压模拟偏差为6.5%。

火箭橇滑块高速重载磨损行为的研究进展

火箭橇试验是高超声速技术领域的技术基础,已成为世界范围内高端装备博弈的热点之一,开展火箭橇系统的运维与损伤控制研究尤为重要。作为火箭橇与火箭滑轨连接的纽带,滑块是火箭橇试验在高速重载工况下可靠服役的关键。火箭橇滑块在特定服役工况下的磨损,威胁着火箭橇试验系统的可靠运行和长寿命服役安全,更是制约火箭橇发展和应用的主要技术瓶颈。因此,开展火箭橇滑块高速重载磨损行为研究具有重要的理论价值和工程意义。本文首先介绍了国内外火箭橇试验系统的发展沿革与现状;进而,基于试验、模拟仿真、试验与模拟仿真结合,综述了火箭橇滑块高速重载磨损行为的研究进展。最后,着眼于模拟手段、高性能新型金属材料设计与制备、表面防护涂层等展望了解决火箭橇滑块磨损的可行途径,旨在为极端工况下材料服役损伤行为与控制技术提供借鉴与参考。

基于光电标签的火箭橇全程测速技术研究

火箭橇试验在兵器研制和性能测试上起着至关重要的作用,现有火箭橇测速方法均存在一些不足之处,针对火箭橇试验中全程速度测量难题,提出了一种基于光电标签的火箭橇全程速度测量方法;建立了光电标签的探测模型,对光电标签的原向反射特性进行研究,分析并仿真了传感器在动态测量中的信号变化过程,基于信号的频率特性对光电探测器件与信号处理电路进行选型,设计并搭建出硬件测量电路,对系统进行了测试与验证;实验结果表明:传感器对光电标签的探测距离可达40 cm,系统速度测量范围满足了火箭橇试验在兵器靶场上的应用,与传统方法相比,光电标签法成本更低、易实现,在火箭橇全程速度测量中有更广泛的应用场景。

火箭橇运行稳定性分析与试验验证

为突破多因素耦合作用下高超声速火箭橇系统设计边界控制等关键技术,支撑火箭橇试验速度由超声速向高超声速跨越。以高超声速火箭橇试验的主要失稳原因分析为着手点,从结构和系统角度构建出靴轨结构强度判据和极限冲击速度判据以约束设计边界。基于橇-轨耦合动响应分析方法研究靴轨间隙、轨道不平顺度对火箭橇稳定运行的影响规律,判定火箭橇系统在轨道上的运行稳定性,指导试验系统优化。最后对优化后的系统进行试验验证,系统在轨运行状态正常,满足设计要求。结果表明,高超声速火箭橇稳定运行判据能够指导高超声速火箭橇试验系统的设计,具有一定的工程应用价值。

单轨火箭橇-发动机一体化设计

针对传统单轨火箭橇系统零部件附加质量过高的问题,提出了一种由发动机和滑靴组成的箭橇一体化结构,采用三维欧拉-伯努利梁单元对火箭橇系统进行离散,对滑靴位置做寻优计算,发现中滑靴处于前后滑靴的中间位置时,系统振动量最小,位置分布最优。设计了3种滑靴与发动机壳体连接的方案:(1)滑靴通过锯齿形焊缝与发动机壳体包覆连接,(2)发动机壳体直接堆放在滑靴靴体上,(3)滑靴通过支撑板过渡件与发动机壳体连接。采用橇-轨耦合动力学方法计算方案2和方案3的在轨安全性,方案3的火箭橇系统力学环境更优,其系统附加质量比传统单轨橇降低了73%。最后,开展了箭橇一体化验证试验,验证了箭橇一体化设计方案的合理性。

火箭橇滑靴用30CrMnSiNi2A钢的静、动态力学行为

30CrMnSiNi2A钢因其良好的塑性、韧性及抗冲击性能,已作为滑靴材料应用于高超声速火箭橇试验中。获得30CrMnSiNi2A钢宽温度域、宽应变速率范围内的本构模型是基于数值方法开展火箭橇刨削问题研究的必要条件。通过准静态压缩实验和动态冲击实验研究了30CrMnSiNi2A钢在25~800℃温度区间、0.0005~10000 s^(-1)应变速率范围内的静、动态力学性能,分析了应变速率和温度对30CrMnSiNi2A钢流动行为的影响,讨论了该材料的应变速率敏感性和温度敏感性,并进一步利用准静态压缩实验数据与动态冲击实验数据,建立了能够考虑应变速率和温度效应的Johnson-Cook本构模型。结果表明:30CrMnSiNi2A钢的极限抗压强度并非单一地随应变速率的变化而变化,并且应变速率对极限抗压强度的影响不大;不管是承受准静态压缩还是动态冲击,30CrMnSiNi2A钢均表现出较强的热软化效应,温度敏感系数随着温度的升高而升高;Johnson-Cook本构模型能够有效预测出不同温度、不同应变速率条件下30CrMnSiNi2A钢的真实响应行为。

翼型火箭橇弹橇分离过程气动特性研究

针对翼型橇终点效应试验攻角控制问题,采用基于耦合流场数值模拟方法与刚体六自由度运动方程的被试品飞行攻角工程预示程序,获取了弹-橇分离过程中被试品攻角和特征位置处弹-橇相对位置与飞行时间、距离的关系,分析了地面效应、橇体气流扰动作用下被试品气动力矩变化趋势,研究了预置攻角、分离速度、轨道参数对分离过程中被试品压心位置及攻角变化的影响规律,为翼型橇弹-橇分离方案优化设计提供技术支持。

火箭橇弹射救生试验测试技术现状及发展趋势

通过查阅大量国内外飞机弹射救生文献资料和实施多次火箭橇弹射救生通道清理试验,对火箭橇弹射救生试验测试技术进行了系统梳理,从光学图像测试和力学测试这2个方面对通道清理、座椅弹射、氧气供给、人-椅分离、乘伞下降和安全着陆这6个试验分系统凝练试验测试内容,并按测试对象进行相应测试方法介绍,提出未来火箭橇弹射救生试验测试将朝着火箭橇平台高超声速试验能力、飞机变姿态试验和测试系统智能安全小型化的方向发展。

火箭橇轨道标零卡规专用校准装置研制

对于火箭橇轨道检测用标零卡规,目前缺少标零卡规校准规范以及相应校准装置。为确保火箭橇轨道标零卡规量值的准确、可靠,研制火箭橇轨道标零卡规专用校准装置。基于标零卡规结构特点,提出标零卡规专用校准装置主要技术指标,设计标零卡规专用校准装置,并评定校准结果测量不确定度。评定结果表明,标零卡规专用校准装置测量结果扩展测量不确定度为0.006 mm,小于目标测量不确定度0.01mm,具备对火箭橇轨道标零卡规的溯源能力。

高超声速火箭橇刨削效应仿真与验证研究

为形成具有高置信度水平的火箭橇试验刨削效应分析能力,基于真实的在轨试验刨削数据,开展了高超声速火箭橇刨削效应仿真与验证研究。首先,通过分析火箭橇在轨试验真实刨削数据,获取了典型刨削现象的参数描述;通过化学成分和金相显微组织检测,实现了基于绝热剪切理论的刨削机理闭环验证。然后,利用静态拉伸试验和高温双同步Hopkinson杆试验,获取了Johnson-Cook本构模型参数。最后,使用物质点分析方法,开展了火箭橇垂向速度分别为1.75、2.00和2.25 m/s的3种工况刨削效应仿真,得到了与真实试验刨削形貌基本一致的仿真结果。仿真结果与在轨试验真实数据对比显示,当滑靴垂向速度为2 m/s时,刨削坑长度、深度实验和仿真偏差分别为1.8%、-3.9%,均未超过5%,达到了较高的一致性,验证了物质点方法分析刨削的适用性。该方法和参数取值可以作为后续高超声速火箭橇试验试前刨削安全性评估的参考。

沟槽型织构化火箭橇滑块磨损行为的有限元模拟

火箭橇系统的服役工况条件直接导致火箭橇滑块磨损,而滑块的磨损严重威胁着火箭橇系统的可靠运行和长寿命服役安全,更是制约火箭橇系统发展和应用的主要技术瓶颈。因束缚于极端服役工况条件和高昂的试验成本,以及仅通过二维模型或只考虑局部碰撞变形的模拟仿真,尚且未能克服这一问题。根据Archard磨损理论、非线性自适应几何更新和弹塑性变形等有限元分析方法及表面织构技术,建立由0Cr18Ni9Ti不锈钢滑块和U71Mn钢轨钢滑轨组成的有限元三维磨损模型,并分别对火箭橇滑块光滑表面、沟槽型织构化表面进行磨损仿真,揭示滑块磨损过程中接触面磨损、Von-mises等效应力以及接触压力等接触特征的变化。结果表明:沟槽型织构能够显著影响滑块磨损,织构密度增加促进了接触面均匀磨损,使得应力分布均匀、梯度变化平稳,缓解了应力集中,避免了长时间的剧烈磨损;接触压力也随织构密度的增加而增加,使得接触面与目标面接触紧密、间隙更小,可有效避免磨粒或磨屑引起的三体磨损。有限元模拟表明,通过恰当表面设计获得沟槽型表面织构能够显著影响磨损,也可为实现兼具减摩抗磨性与结构可设计性于一体的火箭橇滑块提供技术参考和理论支撑。

地面效应影响下的高速火箭橇气动特性数值与风洞试验研究

精确预示地面效应下高速火箭橇的气动特性及流场规律对高速火箭橇的设计和评估具有重要意义。本文应用有限体积方法,研究了湍流模型对火箭橇气动特性计算精度的影响,建立了基于realizable k-ε湍流模型的火箭橇气动特性的高精度数值计算方法;结合风洞试验方法,研究了雷诺数和地面效应对高速火箭橇流场流动规律的影响,分析了火箭橇气动特性。结果表明,火箭橇阻力系数随雷诺数增大而减小,升力系数和俯仰力矩系数随雷诺数增大而增大,但雷诺数对高速火箭橇气动特性的影响较小;地面效应会使火箭橇流场发生激波-激波干扰、激波-边界层干扰和激波反复反射等复杂气动现象,大幅提升了火箭橇的升力系数和俯仰力矩系数,但对阻力系数的影响较小。研究为高速火箭橇气动外形的设计及运动稳定性的评估提供依据。

高超声速火箭橇凿削磨损影响因素及临界条件研究

针对火箭橇试验凿削磨损现象影响因素作用机制尚不明确、临界条件难以界定的难题,基于有限元法建立了特有的三维凿削磨损模型,在热力耦合场下对该过程进行了模拟。模拟结果表明:在初始航向速度和温度条件下,竖向速度达到1.75 m·s^(-1)以上时凿削磨损发生;在初始航向速度和竖向速度条件下,温度达到673 K以上时凿削磨损发生。初始航向速度条件下,凿削磨损率随着竖向速度和温度的上升而增大。当航向速度由1200 m·s^(-1)增加到1800 m·s^(-1)时,临界竖向速度由1.65 m·s^(-1)上升至3.00 m·s^(-1),临界温度由673 K上升至873 K,临界夹角由0.079°上升至0.096°。通过降低滑靴竖向速度和温度能够有效避免凿削磨损的发生。该研究可为进一步阐明火箭橇试验中的凿削磨损机制提供理论支撑,并为避免凿削磨损发生、提高试验安全性提供思路。

弹射救生火箭橇气动特性数值模拟及试验验证

针对高速运行条件下飞机弹射救生试验难题,全尺寸火箭橇试验是低风险、高费效比的研究手段。为确定气动力对弹射救生火箭橇工作状态的影响,本文建立了全尺寸双轨弹射救生火箭橇模型,在CFX平台上对比分析了k-ε、k-ω和SST这3种湍流模型对数值模拟结果的影响,结果表明湍流模型对计算结果相对误差小于1.5%。基于SST湍流模型,对弹射救生火箭橇橇体和座舱两部分的气动特性进行了数值模拟。结果表明:亚音速和跨音速条件下,弹射救生火箭橇的等效阻力系数随速度的增加而单调递增,橇体和座舱阻力之比随速度增加呈现先减少后增加的规律;火箭橇橇体对弹射救生座舱舱盖的阻力、升力及压强影响均较小,两者计算误差小于16%,火箭橇流场对飞机座舱舱盖切割性能测试影响较小。在亚音速条件下开展了弹射救生火箭橇试验,实验结果与计算值吻合较好,验证了数值模拟方法的可靠性,研究结论可为飞机弹射救生试验提供思路。

火箭橇用气动压力传感器在模拟试验温度下的标定方法

针对超声速火箭橇试验中被试品表面压力场分布的高精度测试需求,考虑到气动压力传感器受温度影响较大,存在明显的基线温度漂移和线性温度漂移,提出一种基于高低温试验箱的气动压力传感器温度响应特性标定方法。基于温度对压力传感器响应特性影响分析,将压力传感器在模拟试验温度环境下进行标定,建立了算法并进行了试验验证。试验结果表明,该方法能准确地反映压力传感器灵敏度系数随温度的变化关系,通过修正数据处理算法,显著提高了测试精度。

超声速双轨火箭橇系统两级减振与分析

针对刚性双轨火箭橇无法满足导弹控制装置在马赫数为2条件下的力学环境试验要求,分析了刚性双轨火箭橇的振动数据和特性,发现火箭橇振动响应与运行速度强相关,振动均方根随速度的增加呈非线性增加趋势,火箭橇刚度越大,振动响应越大,当速度为900 m/s时,刚性火箭橇振动响应均方根值达到120g,火箭橇试验中产生的振动表现为随机振动,频带范围覆盖了5~2 000 Hz,且低频振动十分剧烈。根据火箭橇的振动特性,将天然橡胶与滑靴一体化融合设计为减振滑靴,减小滑靴刚度,从而降低由靴轨冲击碰撞引起的振动,实现了火箭橇振源处的一级减振,在被试品与橇体接口处采用硅橡胶实现二级减振。通过动态特性响应仿真、振动台试验、橇轨耦合动力学计算和火箭橇试验进行了验证。研究结果表明:双轨火箭橇通过两级减振后,从振源和传递路径两方面将侧、竖向振动过载控制在了12g内,并实现了100~2 000 Hz内宽频域段减振,被试品侧、竖向减振效率分别达到52%和70%,能够为导引头类火箭橇试验提供验证技术支撑。

前立柱横梁对火箭橇被试品气动特性影响研究

为了确定运行速度800 m/s双轨火箭橇前立柱横梁位置,采用SST湍流模型求解三维定常N-S方程,对5种横梁安装高度的火箭橇进行了仿真,从横梁周围流场、被试品气动特性两方面进行了分析。结果表明:前立柱横梁安装高度对横梁整流来流方向、整流表面最高压力值与位置、被试品与火箭橇相交激波、被试品气动升力、被试品压心系数、被试品表面压力分布均存在影响,并得出了以平均火箭橇运行过程中各爆炸螺栓工作载荷、稳定弹橇分离后被试品飞行姿态为目的的横梁安装高度与被试品质心系数的设计对照表。