高超声速变体飞行器宽速域气动特性研究

宽速域飞行是高超声速飞行器的重要设计目标和发展方向。然而,复杂的环境变化给固定外形飞行器在不同飞行条件下的气动布局设计带来了矛盾。高超声速变体飞行器可以通过呈现不同的构型来适应各种飞行条件并满足性能要求。本文通过数值模拟的方法来研究折叠翼高超声速飞行器的气动性能。研究重点是在不同飞行高度和马赫数下,探究不同机翼折叠状态对应气动布局的升阻比、纵向静稳定性和航向静稳定性。比较了不同机翼折叠角度(0°、45°、90°)对气动性能的影响。结果表明,在所研究的整个速度范围内(Ma=0~5),较小的机翼折叠角会导致较高的升力系数、阻力系数和升阻比。机翼折叠角为0°时,升阻比最高。在纵向稳定性方面,折叠角度较小的布局具有更好的纵向稳定性。随着马赫数的增加,不同折叠角度之间的纵向稳定性差异最初减小,然后增大。静态稳定裕度从1∶0.95∶0.84变为1∶0.98∶0.88,后变为1∶0.89∶0.79。此外,具有较大机翼折叠角的构型表现出更好的航向稳定性。所有3种机翼折叠布局状态在低速飞行阶段都是航向静稳定的。随着马赫数的增加,0°和45°折叠角逐渐变得航向静不稳定。

粉末燃料典型流化装置流量调节对流化的影响

粉末燃料供应系统是实现粉末冲压发动机流量调节的最关键技术,供应系统的优劣直接影响发动机性能,也是需要解决的主要问题之一。本文运用欧拉连续介质方法对粉末燃料典型流化装置流量调节对流化的影响进行研究,探究流量调节过程中等固气比调节对流化的影响,分析粉末在存储罐、流化区域、出口管路上的分布规律。通过分析等固气比调节的输出粉末质量流量变化规律、粉末分布、罐体气相压降判断粉末流化效果的优劣,进而完成粉末燃料典型流化装置流量调节对流化影响的研究。结果表明,随着输入粉末质量流量的增大,粉末供应到达稳定供应状态的时长逐渐减小;输入粉末平均质量流通量在12732.4~16976.5 kg/(m2·s)的设计工况,到达稳定供应状态需要的时间短,是较为理想的输入粉末质量流量的设计工况;粉末燃料供应系统为欠阻尼系统,供应系统开机后推力增加的过程中,阻尼振荡频率随着输出粉末质量流量的增大而增大;在到达稳定前,流化区域形成的旋流影响范围先增大再变小后保持稳定(或者消失),旋流具有稳定粉末供应的作用。

双射流激波针在高超声速下的减阻降热特性

严酷的气动力和气动热环境是制约高超声速飞行器发展的两个重要因素,如何高效地降低高超声速飞行过程中的阻力和热流一直是设计者们追求的目标。为此,本文提出了一种结合后向射流和根部逆向射流的双射流激波针新构型。数值模拟研究发现:该构型能够利用后向射流产生的反作用力削减逆向射流附加阻力对减阻效果的影响,因此与无射流和单一射流方案相比,双射流激波针的流场结构显著改变,减阻降热效果极大提高。此外,增大激波针的长径比(L/D)有利于提高双射流激波针的减阻效果,但会使降热性能有所下降:在本文研究中,当激波针长径比从1增大到4时,结构的总阻力系数降低了71.9%,而钝体总热流增大了13.7倍。同时,增大射流总压比PR可以显著降低壁面热流:当逆向射流总压比(P_(R,o))或后向射流总压比(P_(R,r))大于0.4时,钝体壁面的热流极低并开始出现负值;然而,阻力系数随P_(R,o)和P_(R,r)的变化趋势恰好相反,随着P_(R,o)从0.2增大到0.5,由于逆向射流附加阻力的影响,结构总阻力系数增大了66.7%,而得益于后向射流的推力作用,结构总阻力系数则降低了59.3%。

超燃冲压发动机二维进气道多级多目标优化设计方法

提出了超燃冲压发动机二维进气道的多级多目标设计方法。选择总压恢复系数、压升比和阻力系数为性能目标,引入多级设计概念,分别基于一维气动力学分析方法和计算流体力学方法,采用混合遗传算法对4楔角外压和2楔角内压混合压缩进气道进行了多级多目标优化设计,得到了问题的Pareto非劣解集。采用上述方法可以提升超燃冲压发动机进气道的设计水平,得到高性能的设计方案。

基于全寿命周期费用分析的可重复使用运载器级数选择

建立了可重复使用运载器全寿命周期费用模型 ,并利用该费用模型分析了不同级数的可重复使用运载器方案的全寿命周期费用 ,对全寿命周期费用的各部分组成比例及其随级数的变化规律进行了分析。研究结果表明两级入轨的可重复使用运载器方案全寿命周期费用最低 。

高超声速巡航飞行器机体/推进系统一体化设计参数灵敏度分析

建立了高超声速巡航飞行器机身/推进系统一体化设计模型,对高超声速巡航飞行器机体/推进系统设计参数对性能的影响进行了分析,提出了一种新的设计参数灵敏度分析方法和设计参数取值域界定方法,确定了各设计参数的影响等级并对设计参数取值域进行了划分。

基于并联协作混合遗传算法的高超声速巡航飞行器一体化优化设计研究

遗传算法能以很高的概率找到全局最优解 ,不需要目标函数和约束条件的梯度信息 ,适合于工程优化设计。为增强遗传算法的局部搜索能力 ,提出了一种新的融合模式搜索方法和 Powell方法的并联协作混合遗传算法。研究超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航飞行器的一体化优化设计 ,系统分析了机身和超燃冲压发动机设计参数对飞行器总体性能的影响。通过建立高超声速巡航飞行器质量模型、气动力估算模型、气动热估算模型、超燃冲压发动机性能分析模型、控制模型和弹道分析模型 ,在满足参考任务要求的前题下 ,以飞行器起飞质量为目标函数 ,将并联协作混合遗传算法应用于最优总体方案和超燃冲压发动机方案一体化设计 ,完成了 6设计变量的全局优化计算。算例表明 ,本文建立的一体化设计模型基本正确 ,并联协作混合遗传算法是用于高超声速巡航飞行器一体化优化设计的较好的优化算法。

机身 /推进系统一体化高超声速飞行器冷却性能分析

建立了机身/推进系统一体化高超声速飞行器冷却性能分析模型,分别计算了等高度飞行和等动压飞行条件下的机身/推进系统一体化高超声速飞行器的冷却流量需求,对飞行马赫数、巡航高度和飞行动压对冷却流量的影响进行了分析,得到了满足冷却需求的最大飞行马赫数。结果表明在马赫数6～12的范围内,气动加热部件冷却需要总冷流量的约6%～13%,适当配置燃料喷射方案和提高冷却通道出口冷却剂的温度,再生冷却能够满足机身/推进系统一体化高超声速飞行器的冷却流量需求。

基于试验设计和响应面近似的高超声速巡航飞行器多学科设计优化

建立了基于试验设计理论和响应面近似的超燃冲压发动机推进的高超声速巡航飞行器多学科设计优化方法。首先建立外形尺寸、质量估算、气动力性能、气动热性能和推进性能学科的分析模型。模型考虑了学科间的耦合效应 ,结合弹道方程 ,形成了飞行器的总体性能模型。然后分别采用 D- Optimal设计、Taguchi设计和均匀设计选择设计点 ,通过多机并行计算完成高超声速巡航飞行器性能分析。根据分析结果 ,构造响应面近似模型。通过响应面近似模型的优化 ,完成了高超声速巡航飞行器的多学科设计优化。计算表明 。

超燃冲压发动机二维尾喷管多目标优化设计方法研究

提出了超燃冲压发动机二维尾喷管的多目标设计方法。选择推力系数、升力系数和俯仰力矩系数为性能目标,结合均匀设计和响应面近似,基于计算流体力学方法,采用多目标遗传算法对超燃冲压发动机二维二次方程型线和三次方程型线尾喷管分别进行了多目标优化设计,得到了问题的 Pareto 非劣解集。

矢量场唯一性定理

本文证明了在较一般情况下的矢量场唯一性定理，文献中常见的矢量场唯一性定理多为本文结果的特例。

用分离变量法求格林函数

用函数将点电荷表示为曲面上的面电荷，即可用分离变量法求得格林函数．

静电学中的固有能、相互作用能及有关问题

本文用场能的观点定义了电荷系统的固有能与电荷系统间的相互作用能，进而讨论了中性导体静电感应与线性介质极化中的能量问题，明确了两种运用功能原理求相互作用的作法与区别．

双燃料超燃冲压发动机方案性能初步分析

提出了双燃料超燃冲压发动机方案,以航程为高超声速巡航飞行器性能目标,建立了双燃料超燃冲压发动机的性能分析模型,得到了超燃冲压发动机燃料类型的选择准则。选择液氢和碳氢作为候选燃料,分析了不同性质的碳氢燃料对超燃冲压发动机的燃料类型选择的影响,结果表明双燃料超燃冲压发动机的优化工作范围远大于单燃料超燃冲压发动机的优化工作范围,适当选择双燃料超燃冲压发动机方案能够提高高超声速巡航飞行器性能。计算了获取相同航程时,双燃料与单燃料超燃冲压发动机所需的储箱容积。结果表明,双燃料冲压发动机具有明显的降低所需储箱容积的潜力。

高超声速变构型飞行器气动布局优化设计

本文结合FFD几何外形参数化、径向基函数网格变形技术、基于GPU的CFD数值模拟方法、代理模型优化算法等优化设计方法,构建了高效气动布局优化设计系统,利用该系统进行了高超声速变构型飞行器气动布局优化设计。选取高超声速变构型飞行器机翼上、下表面各30个控制点作为优化设计变量。优化外形在外翼回收段升力系数基本保持不变,阻力系数减小了0.001238,相对减少量为5.6%;外翼展开高速巡航段升力系数和阻力系数相对于初始外形变化较小,其升阻比增加了0.005,相对增加量为0.12%。

用傅里叶变换求静电场格林函数

通过实例，说明当求解区域边界在某些方向上伸向无限远时，如何使用傅里叶变换求解静电场格林函数。

临近空间高超声速飞行器关键技术及展望

随着各国对提高军队通信、反应和作战能力的需求与日俱增,发展临近空间高超声速飞行器技术的重要性愈发明显。综述了临近空间高超声速飞行器国内外的发展现状与趋势,系统全面地分析了发展临近空间高超声速飞行器的关键技术,包括总体设计技术、气动力和气动热技术、高温长时间热防护技术、高精度GNC技术、有效载荷抛撒技术以及发动机技术。在此基础上,最后提出了适合我国国情的临近空间高超声速飞行器技术的发展设想。

高能核——核碰撞的灰粒子多重数,碰撞中心性和核内级联

本文用统计模型计算的灰粒子多重效分布与3.7AGeV、14.6AGeV Si 离子诱发乳胶核反应的实验数据相比较,表明靶核物质量、核内级联是灰粒子产生的重要因素,给出灰粒子多重数与碰撞中心性的强关联。

新型宽速域高超声速飞行器气动特性研究

为设计一种新型宽速域滑翔飞行器,基于无粘锥导乘波设计理论,设计了Ma=4和Ma=8状态下的乘波构型,并将其进行"串联"拼接,得到一类新型宽速域乘波飞行器。采用数值模拟方法对此类飞行器的气动特性进行了研究,得到其流场特征和气动特性。结果表明,采用新型"串联"高超声速乘波飞行器,其气动性能在宽速域范围内比单马赫数条件下的乘波飞行器气动性能更优。"串联"乘波体的升阻比随马赫数的增加而变大,当Ma>8时,其气动特性变化不明显,最大升阻比接近3.2,在设计马赫数范围内,升阻比不低于2.6。升阻比随攻角的增加先变大后减小,在3°攻角时升阻比最大。在Ma=6时,基准模型-1的最大升阻比为4.714,"串联"乘波体的升阻比达到3.48。