振荡射流控制方法在无舵面飞行控制中的应用

利用射流主动流动控制方法,飞行器无舵面飞行控制技术取消了传统的机械舵面,具有附加重量小、控制性能优异等优点,适合隐形设计。本文针对现有定常射流控制方法控制效率较低、耗气量大等问题,介绍了振荡射流在无舵面飞行控制中的应用,概述了2项无舵面飞行控制技术——环量控制技术和流体推力矢量技术——的研究现状,讨论了振荡射流在扩大控制区域、增强掺混和频率调节方面的机理和优势。从环量控制和流体推力矢量2个角度出发,详细介绍了振荡射流在无舵面飞行控制中的应用机理和优异表现。

三扰流片推力矢量固体火箭发动机推力调节特性研究

为研究三扰流片推力矢量发动机进行推力调节时的矢量特性,采用重叠网格技术对三扰流片推力矢量装置展开数值模拟;将数值结果采用RBF(Radial Basis Function Neural Network)神经网络方法进行拟合,提出了一种依据舵机位移计算主推力和侧向力的推力矢量计算方法;最后,进行了原理样机推力开环试验。数值研究结果表明,舵机位移在12.5 mm以内时,发动机主推力曲线台阶变化明显;舵机位移为10.5 mm时,喷管尾部流场内开始出现斜激波交会形成马赫盘,马赫盘前移逐渐贴附于喷管口的现象。从拟合得到的侧向力计算式可以看出,三扰流片组合差动受到的侧向力,以及喷管内流动不对称产生的喷管内侧向力均为驱动扰流片旋转的舵机位移的函数。点火试验结果表明,拟合计算得到的发动机主推力和侧向力与试验实测值之间的偏差在4%以内,验证了所提出的推力矢量计算方法的正确性。

振荡射流气动矢量喷管参数影响特性的试验研究

基于康达效应的同向流矢量技术控制效率高、推力损失低,具备提高飞行器隐身性能的巨大潜力。为了探究马赫数Ma 0.35主流下二次流类型、二次流阵列个数、康达壁面半径R和终止角θ等参数对同向流矢量控制的影响,利用天平研究了9种不同的喷管模型的力学特性,获得矢量偏转力随次主质量流量比变化的控制规律。结果表明,主喷管高和康达壁面半径的比值H/R是对矢量偏转效率和控制稳定性最重要的因素,H/R越低,控制效率越高,控制曲线线性度越高;使用三个振荡射流阵列作为二次流的条件下,H/R从0.5减小到0.43,控制效率提高近49%,与使用定常射流相比,使用振荡射流作为二次流,显著提高了控制效率,增强了控制稳定性;对比分析显示,使用两个或三个振荡二次流阵列、H/R为0.43且θ为90°时,矢量控制效果最好。进一步地研究表明,H/R和θ对矢量控制效率的影响最大,而θ对控制曲线线性度几乎没有影响,本文研究还发现二次流阵列个数低于两个或H/R高于0.6时,控制特性急剧恶化。本文研究可为同向流矢量喷管的工程设计提供理论支撑。

推力矢量发动机燃气舵气动特性设计

结合工程实际,论述和分析了推力矢量发动机燃气舵气动特性的设计过程。以工程算法快速地确定燃气舵的气动外形,借助针对燃气流动的数值分析方法,给出了绕燃气舵流场的流动特性。通过分析舵片上的压力分布,获得控制系统所需的各力和力矩值,以舵面的升力和法向力随舵偏角的变化规律,以及舵间的相互干扰等作为分析依据,对燃气舵气动特性设计进行详细计算。数值计算结果与试验结果的误差能够满足工程设计的需要。该方法为今后燃气舵气动特性的进一步研究可提供必要的手段。

合成双射流矢量特性影响因素分析

为了拓展合成双射流作动器在无人机推力矢量控制方面的应用,需要对合成双射流作动器结构进行优化,提高其矢量性能。通过分析合成双射流的特性,引入了以射流冲程为基础的无量纲距离,建立了射流矢量角的计算方法,并以此为评价指标,采用单因素试验法分析了合成双射流作动器无量纲结构参数对射流矢量角的影响机制和规律。利用极差分析法获得了各参数对射流矢量角影响的显著程度:出口宽度>出口长度>出口间距>出口深度>腔体高度,提出了作动器结构参数设计的原则。

高速喷流干扰及控制技术研究

在高速风洞中对单喷模型喷流干扰和二次引射实现推力转向进行了试验研究,试验马赫数为0.6和0.8。结果表明:亚、跨声速喷流对气动特性起到积极作用;引入二次流可以实现喷流偏转,但是会带来一定的推力损失。

固体火箭发动机射流推力矢量喷管气固两相流数值模拟

用颗粒轨道模型对基于激波控制的二维收缩扩张(2DCD)喷管中的气固两相流动进行了数值模拟,并与纯气相条件下的计算结果进行了对比分析,研究了1～40μm不同直径颗粒的运动轨迹和内流场参数的分布特征,并对矢量喷管的推力性能进行了研究。研究表明,颗粒相的加入和颗粒直径的变化对矢量喷管的内流场和推力性能都有较大影响。在进行射流推力矢量喷管的设计和性能计算时一定要考虑颗粒相的影响。

舵面矢量喷流对现代战斗机气动特性的影响

在双三角翼、椭圆机身的先进战斗机气动布局中配置舵面矢量推力装置，系统研究了该舵面矢量推力装置引起的纵向矢量喷流和横向矢量喷流对机翼绕流及其气动特性的影响，同时还研究了舵面矢量喷流的落压比ＮＰＲ、舵面的纵向和横向偏角δｐ、δｙ以及纵向舵面的宽度Ｗｐ和舵面的配置等因素对喷流干扰效应的影响。

射流分配对喉道气动偏转矢量喷管的影响

采用基于雷诺平均的二维N-S方程和RNGk-ε湍流模型对二元喷管喉道气动偏转矢量控制时的流场进行了数值模拟,计算结果表明在小扩张比、短扩散段喷管上,在喉道气动偏转矢量控制方案下主流可以实现亚声速偏转。在此基础上数值分析了喉部和扩散段射流流量的分配对喷管流场的影响,研究表明要获得更大的推力矢量角,应该将更多的流量分配在扩散段射流缝处,经过计算得到较佳的扩散段射流流量和喉部射流流量分配比例大约为3∶1。

非对称腔体合成双射流矢量特性数值研究

利用合成射流全流场计算X-L模型,对非对称腔体合成双射流激励器的射流矢量特性进行了数值模拟,分析了激励器不同腔体体积比、不同振动膜速度、不同频率下的合成双射流流场。研究结果表明,当激励器两腔体不对称时,所形成的合成双射流不再垂直向下游流动,而是会发生偏转,即射流具有矢量特性,偏转角度的大小可以通过激励器工作条件进行调节。其机理是振动膜对大小不同的两腔体的相对压缩量不同,使得两出口处所形成射流的能量和低压区不再对称,因此导致合成双射流向低能量(大腔体)一侧偏转。振动膜振幅和频率的提高对低压区大小分别起到增加和减弱的作用,所以偏转角度又随着振动膜最大速度的增加而增大,随工作频率的增加而减小。

空空导弹敏捷转弯控制与仿真

文中研究了空空导弹敏捷转弯180°(越肩发射)的控制与仿真问题。提出了实现空空导弹敏捷转弯180°的姿态控制方法,得到了简化的用于姿态控制设计的姿态动力学模型,分别采用反作用喷气控制系统和推力矢量控制系统设计了导弹的姿态控制律。对空空导弹的敏捷转弯180°的飞行过程进行了仿真并给出和分析了结果。结果表明反作用喷气控制系统和推力矢量控制系统都可以用于越肩发射,在转弯过程中速度损失是不可避免的,反作用喷气控制系统可以产生的速度损失较小。

逆流推力矢量喷管主流附体及控制方法研究

主流附体问题是逆流推力矢量喷管实际应用中可能遇到的最严重问题之一。当主流附体出现时,会造成推力矢量的失控,因此,在深入研究逆流推力矢量喷管主要气动、几何参数影响规律的同时,有必要关注逆流推力矢量喷管的主流附体问题。基于此,采用CFD数值模拟技术,分析了主流附体形成的机理、特点和主流附体发生过程,提出了采用提高抽吸压力和增加喷管主流压比两种实现附体主流脱体的控制方法。研究表明,尽管存在明显的滞后效应,但控制抽吸压力、主流压比是实现附体主流脱体的有效方法。

不同矢量偏角下二元喷管内流特性的数值研究

应用多重网格ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ显式格式对不同矢量角下二元喷管的内部流动进行了模拟分析。计算时，在细网格上采用了雷诺平均Ｎ－Ｓ方程与ｋ－ε湍流模型方程；在粗网格上则采用Ｅｕｌｅｒ方程。数值计算给出了较清晰的流谱，壁面压力分布的计算也与实验结果相吻合。通过计算结果分析了矢量喷管几何参数对流场的影响，并对矢量喷管的推力特性进行了数值研究。

电弧放电诱导喷气流偏转数值模拟研究

利用电弧放电,在拉瓦尔喷管的扩散段内诱导出斜激波,使得扩散段内的超声速气流经过该斜激波后发生偏转喷出喷口,从而产生推力矢量。为获得不同条件对电弧放电诱导喷气流偏转效果的影响规律,在电弧放电与超声速流场耦合的数学模型基础上,开展喷气流马赫数1.5的条件下,电弧放电区域大小、放电温度、放电位置及喷管落压比对电弧放电诱导喷气流偏转效果影响规律的数值模拟研究,并通过初步的实验验证。实验结果表明电弧等离子体诱导激波产生喷气流偏转的方案可行,数学模型建立正确。

喷流-外流干扰流场数值模拟

研究了一种适用于推力矢量的内外流干扰复杂流场的数值模拟方法。主要讨论了能灵活处理复杂外形的重叠-搭接网格技术;适于低速大迎角流动及重叠-搭接网格技术的湍流模型以及是否考虑内流的喷流边界条件的定义。在数值模拟方法研究基础上对矢量推力飞机喷流-外流干扰流场进行了分析研究。包括计及喷管内流的内外流干扰流场数值模拟;给定喷管出口边界条件的喷流-外流干扰流场数值模拟;复杂外形引入喷流边界的数值模拟。以上计算反映了喷流对不同外流情况时的流扬的影响和气动力的影响。数值模拟说明,采用重叠-搭接混合网格处理复杂外形,使用恰当的湍流模型可以较好地模拟喷流-外流的干扰流场。

天平零点温度效应补偿技术

在导弹及飞机型号的高速推力矢量、喷流影响类风洞试验中,天平本身的零点温度效应将严重地影响风洞试验数据的可靠性、准确性及试验效率。文中从天平零点温度效应存在的机理出发,开展了天平零点温度效应补偿技术研究。该项技术在FL-3的某飞机喷管推力损失和喷管载荷高速风洞试验中得以应用验证,风洞试验结果表明:该技术很好地保证了风洞试验数据的精准度,提高了风洞试验效率,从而降低了风洞试验成本。

矢量二元收扩喷管热射流复杂流场特征研究

提出了一种二元收 扩矢量喷管的概念 ,用热射流实验台对二元矢量喷管进行了过膨胀状态下的喷管模型热态实验。测量了喷管壁面静压和喷管出口总压分布 ,用红外热成像技术给出了二元喷管热射流流场的清晰画面 ,并对流场特征进行了描述和分析。研究表明 ,在非设计状态 ,二元喷管管内有明显的流动分离现象 ,喷口射流总压严重畸变 ,在热射流流场中 ,射流流场呈现双势核结构。

射流角度对固定几何结构二元喷管气动喉道的影响

采用基于雷诺平均的二维N-S方程和RNGκ-ε湍流模型的有限体积法,对在喷管喉道附近注入不同角度对称射流的二元矢量喷管全流场进行了数值研究。结果表明:射流与主流的总压比RSP越大,射流角度越接近0,°喷管有效喉道面积比越小。与无射流时相比,当射流缝处于喉道处,射流缝宽度为1 mm,射流角度为0,°RSP=1.0时,喷管相对喉道面积比可达到78.15%;保持RSP不变时,改变射流角度,喷管总压恢复系数、推力系数和射流流量基本保持不变;通过改变射流角度可以有效控制喷管的喉道面积。

超声速对流推力矢量喷管的数值模拟

利用二次流对流剪切激励主射流方式来产生射流对流推力矢量方法是一种效率很高的矢量化喷流新方法,又称为对流推力矢量法。本文运用三阶精度MUSCL TVD有限体积格式求解二维非定常、可压缩、雷诺平均N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型,计算了对流推力矢量喷管的超声速射流问题,获得几种不同二次流吸气压强下对狭缝和喷管肩部壁面压强分布、剪切层诱导旋涡的结构特征和主射流矢量角等结果,计算结果与实验数据对比取得良好的一致性,并对计算结果进行了详细分析和讨论。

推力矢量燃气舵在空空导弹上的应用研究

从气动角度,依据研究模型,运用典型条件,使用定性定量的方法对推力矢量燃气舵对导弹大攻角转弯和控制特性产生的影响进行了分析研究,指出推力矢量燃气舵控制对导弹的转弯速率贡献很大,燃气舵对超大攻角下的纵向控制和滚转控制等性能起着重要或决定性作用,以及在不同飞行条件和攻角下燃气舵对操纵力矩系数的贡献。根据对滚转控制的分析,指出了空空导弹选用燃气舵进行推力矢量控制的重要因素,及燃气舵对导弹性能带来的其他影响。