电子发汗冷却技术及其研究进展

电子发汗冷却是一种新型的高超声速主动热防护技术,利用材料的热电子发射效应,通过热电子将热载荷转移至流场下游,降低了尖前缘结构热流密度峰值和梯度,为高超飞行器尖前缘结构热防护系统设计提供了新的思路.作为一种潜在的冷却技术,文章主要介绍了电子发汗冷却的工作原理、技术特点,综述了国内外相关研究进展,并对未来发展需解决的关键问题进行了讨论.

卷积神经网络在风洞天平静态校准中的应用

风洞天平是气动试验中用于测量作用在模型上的空气动力载荷(力与力矩)的大小、方向和作用点的装置,测量结果的精准度与天平的静态校准性能直接相关,天平的静态校准是通过校测设备建立天平测量信号与所受气动载荷的映射关系。由于多分量风洞天平的各个分量间存在相互干扰,并且通常二次干扰和组合干扰会出现非线性特性,采用线性拟合方法会产生一定的误差,使得风洞天平静态校准性能因受到数据处理方法(线性拟合)的局限而较难进一步提高。因此,为了进一步提升应变天平静态校准的性能,本文探索深度学习方法在风洞天平静态校准中的应用。利用中国科学院力学研究所风洞天平校准系统AiBCS,对六分量应变天平开展基于卷积神经网络的静态校准研究,采用深度学习训练模型代替传统风洞天平校准公式并获取更高性能指标。同时,对人工智能建模方法在天平静态校准中的适用条件、有效性及可靠性等方面进行了讨论和评估分析。数据结果显示:相较于传统的基于最小二乘多项式的拟合方法,卷积神经网络天平校准方法有效降低了天平各个分量间的载荷干扰,使校准结果的精准度得到了较大幅度的提升。

高超声速边界层液膜演化过程和冷却机理研究

高超声速液膜冷却技术是通过一系列狭缝或孔洞压出冷却工质,在飞行器表面边界层形成一层低温冷却膜,阻止高超声速气流对飞行器的气动加热.其作为一种主动冷却方式在高超声速飞行器表面热防护有着巨大的应用潜力.文章采用数值方法,结合VOF模型,研究25 km飞行高度和Ma=5气流条件下的液膜铺展情况,并通过不同冷却工质的入射速度、角度、表面张力和黏性系数条件,讨论了液膜在平板上的演化过程和冷却机理.结果表明,在气流作用下,液膜向壁面下游发展,液膜的存在导致边界层分离,连续液膜会在一定位置断裂为液块,然后进一步破碎为液滴.入射条件和液体性质的改变,会影响液膜沿流向的发展,具体表现在连续液膜断裂点的位置和连续液膜的厚度.在所设定的计算域内,壁面热流降低了80%~95%,液膜对壁面的冷却效率随着液膜形态的变化而变化.

激波风洞测力信号的频域数据深度学习建模分析方法

高精准度气动力测量是激波风洞试验中的关键技术。在开展测力试验时,测力系统在风洞流场起动瞬间的冲击激励下产生振动,但振动信号无法在较短的有效试验时间内快速衰减,导致天平输出信号中耦合了惯性干扰。基于深度学习技术,对激波风洞天平信号在频域内开展数据处理,并针对动态信号的频域特征进行卷积神经网络建模分析,旨在消除测力信号中的惯性干扰。在频域模型训练样本和验证样本的结果分析中,天平信号的大幅惯性振动干扰被消除,达到预期的结果,验证频域建模分析方法的有效性和可靠性。此外,对处理结果进行误差分析,进一步验证该方法在激波风洞天平数据处理中具有较好的工程应用价值。

长试验时间爆轰驱动激波风洞技术研究

地面试验是先进高超声速飞行器研制的主要手段之一,获得满足高超声速气动实验研究的长时间高焓气流是发展激波风洞技术的关键难题之一.依据反向爆轰驱动方法,针对满足超燃试验有效时间的要求,讨论了爆轰驱动激波风洞运行缝合条件匹配、喷管起动激波干扰控制和激波管末端激波边界层相互作用等因素对激波风洞试验时间的制约及其相应的解决方法.应用这些延长试验时间的激波风洞创新技术,成功研制了基于反向爆轰驱动方法的超大型激波风洞,试验时间长达100ms,并有复现高超声速飞行条件的流动模拟能力.

高超声速飞行复现风洞理论与方法

针对高超声速飞行伴随的热化学反应流动,本文回顾了郭永怀先生的科研理念和学科布局,综述了他亲手成立的高温气动团队在高超声速飞行风洞实验模拟理论与方法方面的研究进展.高温气体的迅速产生与迅速应用是一种理想的风洞运行方法,而激波管就是这样一种实验装备.论文首先介绍了激波管技术的基本理论与方程,指出将其用于高超声速流动实验模拟时所具有的独特优势.然后讨论了应用激波风洞复现需要的高超声速飞行状态的可行性、基本方程和需要解决的关键问题.针对这些关键问题,进一步介绍了如何应用爆轰现象研发激波风洞驱动技术的理论,并给出了基于爆轰驱动方法的技术发展和工程应用验证.最后,论文介绍了爆轰驱动激波风洞的界面匹配条件,该条件奠定了长实验时间激波风洞运行基础,是其他驱动方法尝试解决而没能完全解决的难题.高温气动团队关于高超声速飞行复现风洞的理论与技术研究,实现了郭永怀先生的战略规划,成就了国际领先的高超声速热化学反应流动研究平台.

气相爆轰物理的若干研究进展

爆轰现象的研究已经有一百多年的历史了,爆轰物理的研究取得了许多重要进展.本文从爆轰波的经典理论、胞格爆轰波的多波结构、气相爆轰波形成机理、气相爆轰波传播机制等方面综述了相关的若干研究进展,评述了这些进展的科学性与局限性,并探讨了将来可能的研究方向.这些研究进展主要包括:CJ(Chapman–Jouguet)理论和ZND(Zel’dovich,von Neumann,Dring)模型、爆轰波多波结构、爆轰胞格特征、直接起爆和爆燃转爆轰过程、热点起爆机制、爆轰波稳定性、扰动爆轰波的传播等.爆轰波是以超声速传播的自持燃烧现象,涉及了激波相互作用、燃烧化学反应、湍流扩散和流动不稳定性等复杂的气动物理过程,相关研究具有重要的学科理论意义.另外,爆轰燃烧具有高效的热化学能释放特点,在先进的热力推进技术方面有着重要的应用背景,因此相关研究也具有重要的工程应用价值.

关于RNG代数湍流模式的研究

研究了ＲＮＧ代数湍流模型，提出的涡黏性方程根的识别方法对涡黏性的选择给予了合理的物理意义，它减少了模型使用中的经验性，缩短了计算时间。另外关于用外部涡函数的双峰平均法来确定分离区附近边界层的厚度也是有意义的，它继承了ＢａｌｄｗｉｎＬｏｍａｘ代数模型的长处，改进了其不足，可用于分离流动的工程计算．

高超声速激波风洞研究进展

回顾了高超声速激波风洞的研制与发展,并依据高超声速实验研究对地面实验模拟技术的要求,分别介绍了应用轻气体、自由活塞和爆轰驱动技术研制的主要激波风洞的性能、特点和存在问题.重点介绍了爆轰驱动高焓激波风洞的3种主要运行模式:反向、正向爆轰驱动与双爆轰驱动.根据这些运行模式的工作原理,分析了应用这些驱动技术产生的高温、高压气源的特点,探讨了不同驱动技术可能影响激波风洞性能的关键问题与解决方法.目前发展的激波风洞已经能够用于开展马赫数3～30的高超声速流动的试验模拟研究,但是试验气流的品质还不能满足高超声速科技研究的需求.为了获得可靠的实验结果,通过不断改进、完善、提高激波风洞的性能,尽可能复现高超声速飞行条件是今后主要的研究方向.

高超声速高焓风洞试验技术研究进展

高焓风洞及其试验技术是助力人类进入高超声速飞行时代的基石,近年来取得了长足的进展。本文首先重点介绍了四种典型驱动模式的高焓风洞,即直接加热型高超声速风洞、加热轻气体驱动激波风洞、自由活塞驱动激波风洞和爆轰驱动激波风洞。通过这些代表性风洞的介绍,讨论了相关风洞的理论基础和关键技术及其长处与不足。由于高超声速高焓流动具高温热化学反应特征,风洞试验技术研究还包含着针对高焓特色的测量技术发展。本文介绍了三种主要测量技术:气动热测量技术、气动天平技术和光学测量技术。这些技术是依据常规风洞试验测量需求而研制的,又根据高焓风洞的特点得到了进一步的改进和完善。最后对高超声速高焓风洞试验技术发展做了简单展望。

关于吸气式高超声速推进技术研究的思考

回顾了吸气式高超声速推进技术的研究进展,分析了超燃冲压发动机研制面临的关键科学问题,并从不同角度探讨了增大超燃冲压发动机推力的可能方法,这些方法包括:能够降低总压损失的高超声速来流压缩方法、生成三维涡流的超声速混合增强技术、碳氢燃料的预热喷射、可以控制燃烧过程的燃烧室设计优化方法、通过减小发动机流道湿面积来降低摩擦阻力和催化复合解离的燃气降低高温气体效应,考虑到等压热力学循环的热效率,还建议研究在高超声速推进系统中应用热效率高的爆轰过程,并探讨了爆轰推进方法研究的进展与问题,吸气式高超声速推进技术是高超声速飞行器发展的关键技术,认真思考和探索其发展方向是非常必要的。

超常环境力学领域研究新进展——《力学学报》极端力学专题研讨会综述报告

介绍了超常环境力学领域的相关研究背景,综述了《力学学报》极端力学专题研讨会的学术报告与前沿问题研讨.以极端力学关注的学科问题为视点,聚焦深海、深空、超高温、超高速等具有国家重大需求背景的研究方向,分别介绍了超常环境力学领域的重要成果与最新研究进展.通过这次会议,《力学学报》编辑部努力探索一种新的学术交流模式,能够及时将前沿性、基础性的学术成果传递给相关领域的科研人员,从而对相关领域的工程技术研发起到支撑作用.还对会议涉及的研究领域进行总结,期望能促进超常环境力学领域的研究与交流.

爆轰推进概念与机理研究——新型发动机研究的热点

本文首先概述了爆轰现象、爆轰气动物理、爆轰推进概念和爆轰推进研究进展。然后重点介绍了目前正在研究中的主要爆轰推进概念 ,如脉冲爆轰发动机 ,斜爆轰推进 ,冲压加速器。并从热效率和比冲的角度把脉冲爆轰发动机和传统的喷气推进发动机作了比较。

中国科学院高温气体动力学重点实验室研究进展

在钱学森先生的倡导下，中国科学院力学研究所自20世纪50年代末期就开始了高温气体动力学的基础研究，相关研究进展曾经为发展我国“两弹一星”和神州飞船做出了重要贡献．在钱学森先生创立的气动研究队伍和科研积累的基础上，中国科学院于1994年组建了中国科学院高温气体动力学重点实验室．

关于超声速燃烧与高超动力

先进发动机是航空工业的核心技术,而吸气式高超声速发动机一直是宇航飞行技术研发的首位难题.发动机的性能依赖于其能量转换模式和燃烧组织方法,相关理论研究具有基础性和启发性意义.论文首先讨论了超声速燃烧,它一直是超燃冲压发动机技术的理论基础.然后综述了相关研究进展,提出了吸气式高超声速冲压推进技术的3个临界条件,或者称为临界参数.第一临界条件针对超声速气体流动中燃烧发生部位的亚声速或超声速状态的判定问题,由此可以揭示上行激波的产生机制,也能够作为燃烧后气体流动状态的判定条件;第二临界参数定义了在当量比燃烧条件下吸气式高超声速冲压发动机的稳定运行马赫数,是发动机设计需要考虑的必要条件.第三临界参数给出了对应CJ斜爆轰的楔面角度,其物理基础是爆轰临界起爆状态.最后总结了驻定斜爆轰冲压发动机的实验研究进展,论述了作为未来高超声速飞行动力的可行性.

触摸高温气体动力学

回顾了高温气体动力学与高超声速科技相关的一些重要研究进展,探讨几个具有基础性研究意义的方向：即高超声速流动模拟；高温气体热化学反应机制；高超声速流动滞止区预测；高超声速边界层转捩和激波/激波相互作用诱导的气动热问题．这些研究方向与高温气体效应和强激波密切相关,对高超声速科技关键技术的突破起着重要作用．

气动烧蚀物体表面粗糙度处理方法的研究

本文系统地阐述了度量烧蚀表面粗糙度的各种量的定义和计算方法,并讨论了它们的一些优点与不足。为了更精确地反映出烧蚀表面的轮廓曲线和粗糙程度,本文探讨了用谱分析的方法研究这种粗糙度的可能性。并通过几种典型波形的频谱分析证明了在谱空间里作粗糙度的分析能给出更可靠、更精确的结果。烧蚀表面粗糙度的度量是随航天技术发展而产生的新课题,本文的工作对它的研究作出了初步的有价值的探索。

高超声速飞行时代的曙光

多少年来，飞向太空，飞得更高，飞得更快，一直是人类孜孜以求的梦想。从神话小说虚构的“腾云驾雾”到民间故事幻想的“嫦娥飞天”，曾有过多少美丽的传说。然而，人类真正的飞行史则仅有百年。有清楚文字记载的人类首次飞行发生在1903年12月17日，美国莱特兄弟(W．&O．Wright)的飞机试飞成功，其飞行速度为56千米／时，飞行距离36．6米，飞行时间12秒。这个简单的飞行器开创了人类飞行的新纪元。

建设高温气体动力学国家重点实验室支撑我国高超声速科技发展

高温气体动力学国家重点实验室（筹）（StateKey Laboratory of High Temperature Gas Dynamics,LHD）以空天科技发展为主要背景,致力于高温气体动力学的基础学科研究,以支撑我国高超声速技术发展的需求.LHD是20世纪50年代末在钱学森和郭永怀先生建立中国科学院力学研究所气动科研力量和学科方向的基础上发展壮大的,