面向控制的变构型空天飞行器建模及特性分析

针对空天飞行器爬升过程中,传统固定构型难以兼顾高低速气动性能的问题,提出了一种空天飞行器变构型调节策略。首先,提出了一种翼面伸缩的变构型方式,构建了含有表征飞行器构型变量的气动代理模型;其次,基于气动代理模型对飞行器气动和配平特性进行分析,根据气动特性制定构型变化策略,根据配平特性提出质心位置匹配设计;然后,根据构型变量和爬升飞行平衡的约束,以控制输入最小为目标,优化得到了合适的质心位置,为不同构型的质心位置设计提供参考;最后,仿真结果表明变构型空天飞行器在爬升飞行任务中起到分担舵面负载和减小油门的作用,增加了飞行过程的稳定性。

气体引射对气动热影响的测热实验研究

气体引射效应是树脂基烧蚀材料主要的热耗散机制之一,显著影响烧蚀热防护系统的防隔热特性。基于激波风洞试验设备,开展了气体引射对下游气动加热影响的测热试验研究,获得了不同引射气体及其不同流量、来流Mach数、Reynolds数等因素对气动加热的影响量,并对考虑引射效应的气动热数值模拟方法进行了充分的验证;结合数值模拟结果,总结了不同边界层流态条件下气体引射对气动加热影响的无量纲关联式,给出了影响热阻塞效应的关键参数。层流状态下的气体引射冷却效果很好,当吹风比F=0.483%时,层流区域壁面最大冷却效率接近100%;由于湍流边界层的强掺混特性,边界层转捩后湍流区域的冷却效率急剧减小;冷却气体比热容越大,相同质量流量条件下相同温升所能带走的热量更多,气体引射冷却效果更好。

高速飞行器减阻杆槽道组合构型减阻防热特性研究

针对高速飞行器减阻防热问题,提出了一种减阻杆头部开槽进气、中部侧向排气的减阻杆槽道组合构型。基于SST k-ω湍流模型,采用有限体积法求解了二维轴对称雷诺平均Navier-Stokes方程,对组合构型的流场进行了数值模拟,并分析了减阻防热特性以及其影响因素。数值结果表明:相较于单一减阻杆,引入槽道后,侧向排气将分离激波推离减阻杆,飞行器主体再附激波强度明显减弱,组合构型减阻防热特性显著提高;槽道收敛半角越大,侧向排气孔位置越靠近减阻杆中部,构型减阻防热效果越好;随着飞行动压的增加,构型减阻防热性能不断提高。在研究范围内,收敛半角为60°,侧向排气孔位于减阻杆中部的组合构型减阻防热总体效果最好,并且在动压在30.15 kPa时达到最佳,相比单一减阻杆,飞行器主体壁面热流峰值降低33.84%,总阻力降低14.44%。