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乘波体飞行器机身/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,并对未来高超声速乘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。

钝化对高超声速乘波体飞行器升阻比的影响

飞行器在高超声速飞行时,来流会对其前缘产生严重的烧蚀,因此需要对前缘进行钝化处理。而钝化会引起飞行器周围流场的变化,影响飞行器的性能。通过运用数值计算的方法,验证了加大钝化半径可以降低前缘的热流密度,研究了钝化对高超声速乘波体飞行器升阻比的影响,比较了不同钝化半径情况下飞行器的升阻比变化。研究表明钝化导致飞行器的升阻比下降且随着钝化半径增大升阻比降幅增大。

基于等离子体合成射流的高超声速飞行器标模激波控制实验

基于等离子体合成射流(plasma synthetic jet,PSJ)的新型主动流动控制技术由于具有无需气源、控制力强及激励频带宽等优势,在激波控制领域极具应用潜力。在高超声速风洞中,通过实验研究了单脉冲PSJ对高超声速飞行器标模头部弓形激波及侧翼激波的控制效果及其对飞行器的减阻作用。结果表明,逆向PSJ可使高超声速飞行器标模头部弓形激波脱体距离显著增大,横向PSJ可使侧翼激波基本消除。动态力传感器测得飞行器最大瞬时减阻率约为15.5%,但传感器测得的阻力变化存在大约250μs的延迟。还研究了放电能量、来流总压、出口直径和腔体体积对头部弓形激波控制效果的影响。

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。

高超声速变体飞行器关键技术研究综述

高超声速变体飞行器有潜力通过变形提升飞行器在宽速域、大空域飞行全包线下的适用性,在未来的民用与军事领域都具有极大的战略意义。本文主要对高超声速变体飞行器的研究进展进行综述,阐述了国内外高超声速和变体飞行器项目的研究进展和现状,并且对现有的高超声速变体飞行器的主要变形方式进行了分类与介绍。同时,总结了高超声速变体飞行器在变构型机构设计方法与理论、高功重比与快速响应的驱动设计、可承载大变形蒙皮、承载/热防护一体化结构设计等方面的技术难点,提出了高超声速变体飞行器的后续研究发展方向,以期对后续高超声速变体飞行器的相关研究提供一定的参考。

飞行器乘波前体/Bump型面优化设计方法研究

飞行器前体和Bump型面是乘波体思想在飞行器部件设计中的两大经典案例,可有效提升飞行器总体气动性能,已经成为飞行器总体设计的核心技术。为寻求乘波前体和Bump型面的最优设计以提升飞行器设计效率,提出了一种可应用于乘波前体和Bump型面的优化设计方法。采用密切锥理论和圆锥绕流流场生成初始的乘波前体和Bump型面,并通过面元法快速预估气动性能;结合BP神经网络建立的代理模型和遗传算法NSGA-II对乘波前体和Bump型面快速优化;利用数据挖掘方法分析乘波前体和Bump型面的流动机理。优化后的乘波前体升阻比提升了25.6%,体积提升41.4%。Bump型面阻力系数减少10.9%,横向压力梯度增加12.1%。研究结果表明,提出的优化方法能够有效应用于乘波前体和Bump气动型面的设计优化,对飞行器整体气动性能的优化具有指导意义,在工程应用中具有重大潜力。

乘波体设计与优化研究进展——从高超声速至宽速域

高超声速飞行器是当前世界航空航天强国抢占制高点的重点方向.目前,该类飞行器正朝着更高速度、更强机动和更宽速域的方向发展,而乘波体的高升力、高升阻比以及下表面流动均匀等优势使其在高超声速飞行器设计中极具应用价值,是当前国内外高超声速气动布局领域研究的热点之一.文章回顾了国内外典型高超声速飞行器和宽域飞行器的发展历程和趋势,系统概述了传统乘波体的设计方法、优化方法、各向稳定性以及宽域化乘波体设计方法等方面的研究进展,并提出一种全参数化描述的宽域乘波翼身融合布局设计方法及宽域气动布局方案,结合数值计算和风洞试验对该布局的宽域气动特性进行了详细评估,结果表明:该布局的亚声速、超声速和高超声速最大升阻比分别为8.4(Ma0.8),5.8(Ma1.5)和5.0(Ma5),整个宽域焦点变化范围为4.8%L,具备较优的宽域升阻匹配和操稳匹配特性.最后,对乘波体在超高速气动物理影响与正向优化设计方法、宽域布局设计与优化方法以及智能可变形飞行器等方面的发展方向进行了展望.

高超声速飞行器变体机翼方案及气动特性分析

变体飞机能够改变自身外形适应不同的飞行状态,为了提升某高超声速飞行器的气动性,研究机翼变后掠方案和延伸机翼后缘变形方案对该飞行器气动性的影响。获得不同变形机翼的高超声速飞行器三维模型,基于k-ε湍流模型,对高超声速飞行器三种外形情况分别进行外部绕流流场的数值模拟,分析其在不同攻角下、不同机翼变形方案下的气动特性。结果表明:变后掠机翼方案在该高超声速飞行器设计工况下无法实现提高整机升阻比的目标,而直接延伸机翼的变形设计可以在设计工况下提高高超声速飞行器的气动特性。

逆向射流对高超声速升力体构型的减阻特性研究

在高超声速飞行过程中,飞行器往往会面临巨大的阻力,严重限制了其飞行性能,并增加了飞行器表面的热负荷和材料应力。针对这一问题,通过数值模拟系统地分析了射流孔数量、位置和攻角对升力体减阻性能的影响。研究结果表明,随着射流孔数量的增加,整体减阻率显著提高,有效降低了升力体头部的高压区域,但也导致四周流场的不稳定性增强。射流孔位置对激波脱体距离和“气膜”厚度具有重要影响。此外,增大攻角会导致整体减阻率下降,但对局部减阻率影响较小,同时会增加上下壁面之间的压差。进一步比较研究发现,在20 km和55 km高空条件下,这3种因素对减阻性能的影响规律保持一致。研究结果为设计高效减阻方案提供了重要参考。

乘波概念应用于吸气式高超声速飞行器机体/进气道一体化设计方法研究综述

乘波体构型应用于吸气式高超声速飞行器设计主要有两大优势:一是可以高效地捕获预压缩后的气流;二是通过优化,可以实现飞行器的高升阻比性能设计。基于这两个优势,乘波概念应用于高超声速飞行器机体/进气道气动一体化设计可分为两大类:乘波前体/进气道一体化设计和乘波机体/进气道一体化设计,前者主要利用乘波体高效捕获预压缩气流的特性,而后者则同时利用乘波设计的两个优势。本文总结了国内外学者将乘波概念应用于机体/进气道一体化设计的两大类方法,对其进行了较为细致的分类,归纳总结出"通过设计基准流场进行流向设计、应用吻切理论或几何拼接方法进行展向设计"的总体设计思路,分析了今后的研究发展趋势。

基于小波基的高超声速飞行器预测函数控制

针对高超声速飞行器非线性、快时变等特点,研究小波基预测函数控制方法,旨在改善传统阶跃函数基预测函数控制的控制性能,同时实现高超声速飞行器的实时控制。首先,将高超声速飞行器非线性模型转换为状态相关的线性模型,然后,将控制律表示为小波函数的线性组合,控制律的计算转换为基函数系数的计算,极大地降低了优化计算的维数,可以实现对高超声速飞行器的实时控制。与传统的预测函数控制方法不同,将小波函数作为基函数能充分利用小波的多尺度分析和紧局部特性,通过灵活设置小波基函数的个数及位置分布,确保拟合点逼近要求的同时兼顾整体控制性能。仿真结果表明,相比于传统的阶跃函数基预测函数控制,小波基预测函数控制具有更好的跟踪性能。

乘波体构型飞行器的高超声速测压实验研究

乘波体构型是高超声速飞行器的重要气动布局之一。对某多目标优化设计的乘波体构型飞行器进行了高超声速测压实验,对其气动性能进行风洞实验验证。实验马赫数M=6和M=7,迎角α=-4°-、2°、0°、2°、4°、6°、8°。结果表明:该乘波体构型各部件气动性能良好。进气道唇口准确捕捉到压缩激波,激波位置与设计吻合。乘波体上表面流向压力变化不大,有利于减小乘波体飞行阻力。下表面经过进气口内压段时压力有明显的增大,后体膨胀效果显著。在设计状态下,该乘波体飞行器整体气动性能良好。

乘波体高超声速导弹的天基红外可探测性分析

以轨道高度1500 km的近地轨道红外探测平台为例,对天基红外在临界探测模式下乘波体高超声速导弹探测性能进行了模型量化分析.首先分析了乘波体高超声速导弹的气动特性和红外辐射特性;然后结合大气传输模型和探测器模型,分析了天基红外临界观测模式下不同极限探测距离和极限信噪比的天基红外乘波体高超声速导弹预警探测能力;最后以美国STSS LEO星座参数为例,对临界探测模式下的模拟成像进行分析,给出在最接近其真实极限信噪比条件下的探测盲区分布.分析结果表明:在临界观测模式下,当探测器的极限信噪比为5时,速度为10Ma、高度为40km的乘波体高超声速导弹逃脱近地轨道天基红外探测的概率高达67%.

高超声速巡航飞行器乘波布局气动设计综述

吸气式高超声速乘波飞行器作为可以高效飞行于临近空间空域的运载器,自概念提出以来一直受到世界各国的高度关注,并吸引着众多学者与机构对此开展研究。本文主要从高超声速飞行器发展动态及乘波式气动布局设计技术两个方面展开分析,前者主要包括超燃冲压发动机的发展历程和主要工业国高超声速项目发展动态;后者主要针对受到世界各国高度重视的乘波式气动布局设计技术,较全面地概述了乘波飞行器气动布局设计方法的最新研究进展,在乘波体设计流程、基准流场构建方法、基准流场求解方法、沿展向乘波布局设计方法和乘波体在高超声速气动布局上的应用等方面进行了详细讨论。根据本文综合分析,乘波式气动布局高超声速飞行器由于在高超声速飞行条件下具有优异的气动性能,仍然是高超声速飞行器一体化布局的重要候选布局形式,而且随着材料、推进、导航与控制等技术的飞速发展,面向工程应用的乘波式高超声速飞行器将会很快出现,并将会在航空航天领域发挥重要作用。

吸气式高超声速飞行器三维后体尾喷管优化设计

三维后体尾喷管是吸气式高超声速飞行器产生推力、升力的关键部件,需要精细设计,最大限度地提升三维膨胀过程中的气动特性。本文在二维后体尾喷管优化设计的基础上,发展了一种三维后体尾喷管的优化设计方法。通过参数化建模、三维喷管计算网格自动生成、空间推进CFD解算器及NSGA-II多目标优化软件等技术手段,对后体尾喷管三维构型进行了多目标优化设计。优化后的三维后体尾喷管与原始喷管相比,推力和升力都得到了较大提升。

基于类咽式进气道的高超声速飞行器一体化设计

针对吸气式高超声速飞行器高空巡航飞行时净推力和升力不足的难题,探索了一种基于类咽式进气道的高超声速飞行器一体化设计方法。该方法耦合了具有高升阻比特性的乘波机体和气流压缩性能优异的三维内收缩进气道,获得了一种气动性能较优的高超声速飞行器一体化构型。在设计过程中,对一种咽式进气道的几何外形和激波系结构进行了适当改变,得到了能与楔形乘波前体进行一体化设计的类咽式进气道构型,并采用遗传算法对进气道参数进行了优化;以所得到的进气道和乘波体为基础对飞行器整体构型进行了飞行器内外流一体化设计。无黏计算所得流场与理论设计吻合良好,有黏计算结果表明该飞行器在马赫数7时最大升阻比达到3.4,具有良好的气动性能。

高超声速飞行器气动布局总体性能优化设计研究

总体设计是吸气式高超声速巡航飞行器的关键技术之一。为提高高超声速飞行器的设计水平,获得一个总体性能较优的布局构型,对乘波布局的高超声速飞行器进行了总体优化设计研究。采用多目标遗传算法,以飞行器外形参数作为设计变量,考虑了巡航状态下的气动力、热、雷达散射截面、机体/推进一体化、机身容积、配平特性、静稳定性和机动性等指标。优化设计得到了Pareto最优前沿面,获得了很多总体性能优于基本构型的最优个体。根据设计指标,给出了一个推荐方案作为进一步研究的参考构型,并对它的气动特性进行了风洞实验验证,证明了本文优化设计方法的可行性。

高超声速乘波飞行器三维流场的并行数值模拟

针对高超声速乘波飞行器三维绕流流场,在基于LINUX+MPI系统的分布式并行计算平台上,并行求解了三维雷诺平均的N-S方程。并行数值方法采用的是有限体积方法(FVM)、OC-TVD差分格式、B-L代数湍流模型及流场分区的并行方法。计算结果表明,所采用的并行数值模拟方法能够求解包含强激波的流场,激波穿越区域边界时无断层、错位等通量不守恒的现象。并行计算效率高,8个处理机计算时的并行加速比达到了6 8。

升力体高超声速飞行器横向气动特性研究

升力体高超声速飞行器具有较高升阻比,但稳定性尤其是横侧向稳定性差,研究表明,在横侧向两个方向中,横向稳定性更弱。为了深入理解升力体高超声速飞行器最薄弱的横向稳定性问题,进行了两种典型升力体高超声速飞行器滚转动稳定特性的风洞试验研究。试验采用自由振动方法,试验马赫数5和6,单位雷诺数分别为Re/L=2.3×107和2.0×107。试验结果表明:升力体模型一在小迎角就出现自激振动,判断是由于头部存在非对称转捩引起,通过在模型前体顺气流方向布置绊线促使流动在绊线处对称转捩的方式,有效抑制了模型的自激振动,并使受激后的滚转自由振动曲线线性增强,滚转动态稳定性增加;升力体试验模型二的滚转非定常气动力的试验中模型的振荡具有较强多频谱和周期性特征,对该试验模型加绊线前多种状态的滚转非定常振动曲线进行的谱分析发现,它们都存在除机械阻尼外的3个振动频率,说明高超声速横向绕流有3个特征尺度,即横向分离或转捩流动有3个不同的尺度。建立由这3个振动频率余弦和形式表达的滚转力矩数学模型。从数学模型值与相应气动数据的对比来看,3个振动频率建立的数学模型捕捉了升力体高超声速飞行器滚转非定常气动力试验曲线的基本趋势,也涵盖了滚转力矩主要的量值范围。

高超声速飞行器后体喷管设计

为得到二维高超声速飞行器后体喷管优化型面,建立了基于N-S方程的二维后体喷管设计模型,分别对内部喷管长度和上壁型面进行设计,得到了后体喷管优化设计外形,并将结果与Edwards提供的基准进行比较,表明改进了后体喷管的推进性能.