预冷组合动力高超声速空天飞机关键技术研究进展

为进一步加快反应时间、降低发射成本,各国加大了对可重复使用组合动力空天飞机的研发。英国采用预冷组合发动机SABRE的高超声速空天飞机Skylon项目在宽速域组合动力方面已取得突破性进展。本文首先对其动力系统中的关键技术如轻质高效空气预冷器、内循环换热系统以及高度补偿集成喷管进行了介绍;然后分析了面对不同任务需求的各阶段总体方案迭代,重点关注高空低密度条件下的高速布局设计、气动相关问题以及热防护措施;最后对载荷投放成本进行了横向比较,并阐述了欧空局对其作为下一代欧洲空天运输系统的任务规划。

太赫兹技术在军事领域的应用

随着超快激光技术的发展,太赫兹波段空隙逐渐被人们所认识。由于太赫兹处在电磁波谱的特殊位置,具有同其他波段的电磁波不同的特殊性质,在诸多行业具有广阔的应用前景。结合太赫兹特点,研究其在军事领域的具体应用前景。

高超声速飞行展望

发展下一代高超声速飞行器的需求主要来自三个方面：第一方面是军用的高超声速飞行器，包括高M数的军用飞机和导弹，特别是跨大气层飞机，将使空中的作战平台提高到一个新水平，有可能在未来的高技术战争中起到杀手锏的作用；第二方面是高超声速客机；第三方面是水平起降的完全重复使用的天地往返运输系统。研制下一代高超声速飞行器面临巨大的技术挑战，在材料与结构、推进技术和空气动力等方面需要很大的技术发展跨度。高超声速飞行器的设计工具，即地面试验、计算和飞行试验，在模拟高超声速飞行方面都有其局限性。为了发展下一代的高超声速飞行器，必须一体化地运用这些工具。一体化设计方法论的关键，是用增量形式的计算流体力学结果，将地面试验数据外推到飞行条件。

一种平面埋入式进气道的地面工作特性及流态特征

对一种平面埋入式进气道的地面工作特性进行了实验研究,结合数值仿真技术,分析了地面工作状态下该类进气道的流态特征,并探讨了其出口总压图谱的形成成因.结果表明:(1)虽然进气道出口截面的二次流较弱,但通道内却存在强的以对涡为特征的旋流,该对涡因埋入式进气道进口侧棱的存在而产生,与后唇口前缘的气流分离共同导致了进气道出口截面的大面积低总压区;(2)地面工作状态下,埋入式进气道的总压恢复系数随出口马赫数的上升而下降,周向畸变指数、紊流度和综合畸变指数则随着出口马赫数的增加而增加.在相同的出口马赫数下,地面工作状态的总压恢复系数高于飞行状态,各种畸变指数也明显偏高.但当发动机的进口工作马赫数为0.35左右时,进气道出口截面的综合畸变指数W小于10.0%,满足常规发动机的稳定工作要求;(3)计算和实验结果对比表明,所得到的进气道出口总压恢复系数相对误差在1.2%以内,但畸变指数整体偏大.

空天飞机再入GNC一体化建模与仿真方法

集建模、制导控制律设计与数学仿真分析于一体的建模与仿真平台是进行空天飞机再入制导导航与控制系统(Guidance,Navigation and Control,GNC)研究的有效手段。提出一种基于Matlab平台和STK软件的空天飞机再入GNC一体化建模与仿真平台方案。基于Matlab平台进行二次开发,建立空天飞机建模工具,开发制导控制律辅助设计工具和数学仿真程序,利用STK软件进行结果的可视化仿真,为空天飞机再入GNC系统研究提供有效的建模、设计与仿真分析工具。

高精度航天器微振动建模与评估技术最近进展

航天器微振动是影响高精度航天器指向精度和成像质量等关键性能的重要因素,其力学环境极其复杂,工程上主要依靠理论建模和仿真评估手段进行分析和设计。从微振动力学环境、集成建模与综合评估技术、成熟软件系统和仿真实验设备等方面入手,全面介绍了国内外微振动集成建模与综合评估技术研究发展情况,结合国外发展和国内需求对我国相关技术研究的关键技术进行了分析,基于国内研究基础给出相关技术研究的发展思路。

小型空天飞行器制导导航与控制系统方案

针对地面垂直发射、可长时间在轨运行和轨道机动、再入稠密大气层并水平着陆在机场跑道上的小型空天飞行器,研究其制导导航与控制系统方案。分析其在轨运行、离轨、再入、末端能量管理、自主进场着陆、地面滑跑等各阶段的制导、导航与控制系统任务需求,根据任务需求提出相应的制导导航与控制系统组成方案,并阐述制导导航与控制系统的工作原理。理论分析结果表明,提出的制导导航与控制系统方案满足飞行器各阶段的任务需求,合理可行。

空天飞机最优轨迹/推进性能研究

基于Sanger的气动外形、推进系统模型、质量模型等，采用飞行力学、最优控制理论及其数值计算等方法，研究了二级入轨水平起飞载机最小起飞质量的上升轨迹，得到了给定任务需求条件下吸气式组合发动机总体性能（推力、燃料消耗率随飞行轨迹的变化规律）要求。合理分析了载机最优上升轨迹、任务需求对吸气式组合发动机总体性能的要求。得到了一些明确而重要的结论。

空天飞机机翼结构方案研究

针对空天飞机带边条三角翼,设计了参数化的等百分比布置的多腹板结构和平行布置的多腹板结构两种方案,并采用有限元方法对比分析了两种结构方案在亚声速、跨声速、超声速、高超声速等多种工况下的强度、刚度特点,估算其结构重量,得到了平行多腹板式结构在受力特性与重量方面优于等百分比多腹板式结构的结论。然后基于平行多腹板式结构,对机翼腹板、蒙皮、翼肋厚度进行了优化,减轻了设计机翼的结构重量,可以为空天飞机机翼结构设计提供参考。

战斗机高空综合环境模拟舱压力控制策略研究

高空综合环境模拟舱能够实现高空温度、压力和湿度等参数模拟,对军用战斗机环控系统研究具有重要意义。在多参数综合模拟试验时,传统的试验方法和控制策略不能很好地实现压力与其它环境参数的解耦控制,造成无法快速准确地实现多综合参数模拟。为此,提出单独采用抽气阀控制环境舱压力的试验方法,结合提出的基于非线性补偿的二自由度PID压力控制策略快速控制舱内高度。该控制策略引入非线性补偿环节克服抽气阀的非线性流量特征,同时引入二自由度PID克服压力超调,提高压力调节速度。新的试验方法和压力控制策略为实现多环境参数解耦控制提供了保证,同时能提高模拟舱内无超调压力控制精度和响应速度。该压力控制策略同样适用于其它压力控制场合。

我国未来空天飞机综合电子信息系统的发展建议

从空天飞机的概念和特点入手,指出了"四代"后航空电子系统的继续发展方向,定义了未来空天飞机综合电子信息系统的顶层概念并概括了其技术特点,最后对发展我国未来空天飞机综合电子信息系统的技术路线提出了建议。

空天飞机的气动设计

本文首先简要地评述了国外空天飞机概念研究的进展情况,着重讨论了单级入轨和两级入轨问题。然后,介绍了美国国家空天飞机计划研究过的四种外形,分析了相应的任务使命(例如加速、巡航和机动巡航)和各自的优缺点。最后讨论了空天飞机的机体和发动机的一体化设计问题,包括前体和进气道的一体化设计,后体与喷管的一体化设计和一体化设计的重要性及它对整个飞行器性能(例如推阻比和配平)的影响。

跨音速三维操纵面嗡鸣数值方法研究

在非结构化动态网格耦合欧拉方程求解跨音速非定常流场的基础上,考虑了翼面-操纵面系统的缝隙间网格运动问题。采用中心有限体积法进行空间离散和双时间方法进行时间推进求解非定常欧拉方程。通过与气动力方程的联立求解,在时域内用四步龙格-库塔方法求解结构运动方程。数值分析研究了NA SA三维操纵面嗡鸣标模算例——全翼展操纵面NA SP(N ationalA eroSpace P lane)基本型机翼-操纵面嗡鸣现象,并和风洞实验结果进行了对比,取得了一致的结果,说明了该方法的正确性。

一种空天飞机外形高超声速气动特性实验研究

提供一种空天飞机模型在高超声速风洞中测量的气动力。研究马赫数Ma=4.96,基于模型全长的雷诺数ReL=9×106～15×106;以及Ma=7.96,ReL=5×106来流条件下,攻角α=-5°到α=25°的纵向气动力和横向气动力特性。在Ma=4.96时,着重讨论滚转角和侧滑角变化,以及ReL变化对气动力特性的影响。结果表明,中小攻角下升力和升阻比明显增大,但Ma数增大使升阻比下降。还有,Ma=4.96的数据显示,侧滑角的增大不利于航向稳定。

快速光滑终端滑模在空天飞机姿态角控制器中的应用研究

针对空天飞机再入飞行阶段存在模型参数不确定和外部扰动情况下的姿态跟踪控制问题,分析、建立了考虑地球自转的空天飞机六自由度动力学模型;以此为基础,利用非线性三阶扩张状态观测器可实时在线估计姿态角速度和系统扰动的显著优点,导出了适用于控制系统设计的数学模型;利用该模型,设计了一种基于非线性三阶扩张状态观测器的快速光滑终端滑模控制算法。然后,基于李雅普诺夫理论,严格证明了系统的稳定性。控制算法利用快速光滑终端滑模控制无需惯常终端滑模控制所需的控制量系数矩阵的求逆计算,提高了控制算法的计算实时性;同时,采用光滑滑模趋近律能够在有限时间内收敛到滑模面且有效地消除抖振,对系统的参数摄动及扰动具有很强的自适应性。仿真结果表明,相比基于非线性三阶扩张状态观测器的传统非线性反馈控制算法,文中所提出的控制算法调整时间短,超调量小,并且具有良好的跟踪精度,具有一定的工程应用价值。

空天飞机喷管的气动设计

本文首先阐述了喷管气动设计在整个空天飞机气动设计中的重要地位,介绍了两种用于空天飞机的二维不对称喷管的无粘流气动设计方法。一种是基于 Rao 的最大推力喷管设计方法;另一种是基于最小长度喷管的设计方法。重点介绍了 NASA Langley 研究中心固定几何形状的超燃冲压发动机喷管的气动设计。分析了发动机位置、上壁倾角、外罩内侧倾角和外罩长度对飞行器性能的影响。最后,介绍了空天飞机喷管流动的风洞实验和计算流体力学的进展,并提出了尚待进一步研究的问题。

空天飞机的真实气体效应

本文首先以美国阿波罗飞船和航天飞机气动特性的飞行试验结果与风洞试验结果存在差别为例，说明研究真实气体效应对发展高超声速飞行器的重要性。在分析平衡流和非平衡流中激波特性的基础上，根据典型的空天飞机上升段轨道，分析了空天飞机激波后的平衡组元分布和松弛距离。进而，讨论了真实气体效应对空天飞机气动特性的影响，其中介绍了近代研究真实气体效应的计算流体力学方法和试验技术，重点介绍了Ｐａｒｋ提出的确定化学反应速率系数的双温度模型。最后，对今后空天飞机真实气体效应的研究工作提出了建议。

空天飞机气动热的工程预测方法

首先简要地分析了空天飞机在上升段和再入段遇到的严峻的热环境,并指出:为了进行空天飞机的概念研究和初步设计,必须发展气动热的工程预测方法。接着介绍了国外可用于预测空天飞机气动热的工程方法,其中包括预测迎风面中心线、背风面中心线和横向分布的气动加热的方法,重点介绍了 NASA Langley 研究中心的轴对称比拟三维边界层(AA 3DB L)程序和它的结果。同时,还讨论了空天飞机气动热预测的一个特殊问题即激波干扰加热,着重介绍了机身头部的弓形激波和进气道外罩唇部激波的相互干扰以及机身头部的弓形激波和机翼前缘激波间的相互干扰,对后面这种情况,还介绍了工程预测方法。

空天飞机气动力特性的工程预测方法

本文首先叙述了在空天飞机概念研究和初步设计阶段进行气动力特性工程预测的必要性,然后介绍了美国超声速和高超声速任意物体程序(S/HABP)中的计算无粘压力的方法,重点介绍了选择方法的原则。在这基础上,介绍了一种在超声速和高超声速均一致适用的方法,它是采用 Dahlem-Buck 经验公式,并对修正牛顿公式中的修正因子 K,绐出了对飞行器各部分各不相同的计算公式。最后对今后的工作提出了建议。

空天飞机的乘波外形

本文首先介绍了乘波外形的基本概念和空天飞机采用乘波外形的优点,然后介绍了利用楔的流场和圆锥流场构筑乘波外形的方法和气动力性能的计算公式,在简单地评述了乘波外形优化工作的进展之后,重点介绍了考虑粘性的乘波外形优化方法和乘波外形气动力性能计算与实验结果的比较。对乘波外形与超燃冲压发动机一体化方面的近代工作也作了介绍。最后,对乘波外形今后的研究工作提出了建议。