高速飞行器气动热结构耦合分析及优化设计

气动、热和结构三学科之间的耦合关系是高速飞行器面临的核心问题之一。文中利用强弱耦合关系简化了气动热结构耦合问题,并基于气动加热、瞬态热传导、热结构、热模态和热颤振的单向耦合关系来分析热弹性问题,建立了气动热结构多学科集成分析平台。针对各子学科耗时问题,文中采用了增广的自适应响应面优化策略完成了气动热结构多学科设计优化,在提高了颤振速度的同时,使升力面结构质量有了一定的降低。     

气动热环境下高速飞行器光学头罩光传输分析

气动热环境下,光学头罩由于受到气动热和热应力的作用,产生形变且其光学性质发生改变,进而影响到光学头罩内红外辐射光线的传输,使得头罩光学系统成像质量下降,最终将影响高速飞行器的制导精度。以红外成像在高速飞行器上的应用需求为背景,对头罩内光传输进行了数值仿真,得到了头罩光学系统在气动热环境中各项光学评价函数。     

高超音速飞行器气动热研究进展

高超音速飞行器具有普通超音速飞行器无法比拟的优势,因而成为航空航天领域重要的发展方向。当飞行器高速飞行时,空气粘性作用将在机体上产生强烈的气动热,这给飞行器的安全造成严重影响,成为制约高超音速飞行器快速发展的瓶颈问题;无疑,掌握气动热变化规律是合理设计高超音速飞行器热防护的基础。本文从实验与数值仿真两方面系统地归纳、总结国内外学者在高超音速飞行器气动热方面的研究成果,并展望其未来的发展。     

高超声速飞行器气动热结构耦合问题研究

回顾了超声速飞行器发展历程与现状,对近年来国外针对气动-热-结构三学科耦合问题的研究进行了总结归纳;从物理含义出发,分别对各子学科之间的相互耦合关系以及各自的建模方法进行了总结;给出了计算方法和求解思路,总结了国外对于热气动弹性问题的研究进展;最后讨论了真实气体效应对耦合问题的影响。     

飞行器气动加热烧蚀工程计算

高超声速飞行器设计时,为了对防热层气动热烧蚀情况及温度场进行快速预估,提出了集成气动热、材料烧蚀、瞬态温度场的耦合计算方法。通过算例对计算方法和程序进行了验证,表明该方法具有较高的效率和精度。在给定弹道条件下,实现了气动热、热防护材料烧蚀性能和弹体温度场耦合计算。通过该方法可以在高速飞行器设计阶段,快速计算出指定飞行工况下的防热材料烧蚀情况及温度场分布,为飞行器热防护层设计提供依据。     

高速飞行器组合式热防护系统研究进展

针对高速飞行器长航时、高马赫数飞行过程中传统热防护系统设计与极端力、热环境不适配的问题,提出了一种组合式热防护系统概念,从防/隔热性能、承载性能等多方面介绍了组合式热防护系统的研究进展;着重阐述了填充-组合式热防护系统的性能特点及研究现状。通过对组合式热防护系统的特点进行对比发现：填充-组合式的结构效率更高,但加工工艺更为复杂;组合式热结构的隔热能力受限于隔热材料的厚度;辅助耐高温新型材料或高温热管使组合式热防护系统更加高效化,是解决结构轻量化设计的关键。对高速飞行器轻质结构热防护系统的发展方向进行了展望。     

某低空低速飞行器气动特性计算

为研究不同弹头和尾翼形状对飞行器阻力大小和稳定性的影响,用CFD数值模拟方法,采用完全结构化网格,以三维N-S方程为出发方程,采用S-A-方程湍流模型,对6种不同弹头尾翼形状及尾翼片数和厚度的某低空飞行器的气动外形进行数值模拟,并对计算结果进行了比较分析.结果表明,采用卡门曲线的战斗部气动外形和合适尺寸的梯形尾翼对该飞行装置减小阻力和提高静稳定性有利,可为外形优化设计提供依据.     

基于热响应特性的高速飞行器多约束轨迹优化

在高速飞行器轨迹设计中,以驻点热流和总加热量为表征的传统热约束形式未能真实反映飞行器的动态热响应过程,存在约束表征不合理和过约束的缺陷。针对该问题,在传统飞行力学研究范畴的基础上,通过热环境近似拟合和热响应方程形式变换,建立包含热响应模型的高速飞行器增广动力学模型。对增广动力学模型进行热响应特性测试,结果表明在满足多约束条件下,采用跳跃飞行模式相较于平衡飞行模式可显著降低高速飞行器的内壁温度。最后使用自适应Radau伪谱法对多约束条件下的内壁温度优化问题进行研究。结果表明,相较于最佳升阻比攻角平衡飞行方案,优化设计得到的跳跃轨迹可将内壁温度降低78.4 K（降低13.97%）,优化效果明显,实现预期目标。     

高超声速飞行器气动热网格依赖性研究

采用计算流体力学方法,针对高超声速飞行器气动热数值模拟问题,研究了高超声速来流下气动热环境计算的网格依赖性。以二维圆柱为例,分析了网格雷诺数对热流计算的影响,获得了网格雷诺数及网格局部加密对热流精度的影响规律。研究结果表明,网格雷诺数小于8即可获得收敛的热流结果,激波位置处网格加密可有效改善热流预测精度。通过对X-33再入飞行器的气动热环境模拟检验了研究结论在三维模型中的适用性。     

高超声速飞行器气动热利用方法研究

在调研国内外现有热电转换技术的基础上,探索了高超声速飞行器气动热的热利用难题。在现有直接类热电转换技术和热力循环类热电转换技术研究的基础上,提出了基于温差发电和有机朗肯循环热电技术相结合的组合型热利用方案。通过对组合型热电转换方案的热力分析表明,系统热电转换效率可达19.8%。     

偏头控飞行器气动仿真与外形优化

针对智能偏转弹头的飞行器模型,以通用流体计算软件FLUENT为计算平台,进行了大量气动仿真实验.计算了不同头部偏角,不同马赫数和攻角姿态条件下,智能偏转弹头模型所受的气动力;分析在不同条件下升力、阻力和偏航力矩的变化情况,同时比较了不同外形的此类弹头的气动特性。仿真结果表明在飞行速度大于一个马赫的情况下,大长径比、尖锥外形的智能偏转弹头可获得较大的升阻比和偏航力矩,气动性能较好。     

高超声速再入飞行器气动加热计算方法研究

气动加热计算是高超声速再入飞行器的关键技术之一.文中用CFD方法获取边界层外的无粘数值解,代人边界层内工程方法的计算公式,获得热流密度.驻点区热流密度计算采用Fay-Riddle公式,非驻点区采用Eckert参考焓方法.通过与风洞实验和纯粹数值方法的结果相比,验证了采用边界层外无粘数值解和边界层内工程算法相结合来计算飞行器表面热流密度的可行性.     

VTVL高超声速航天飞行器优化气动布局研究

针对垂直起飞、垂直降落飞行器－一种先进的、能重复使用航天飞行器的选型和气动经布局，研究分析了飞行器外形尺寸参数高超声速再入气动性能的影响，给出了优化气动布局，并通过实验验证了布局的正确性，结构实验和理论分析给出了飞行器高超声速气动特性参数。     

高超声速飞行器尖化前缘气动热环境研究

为了研究高超声速飞行器尖化前缘热环境特点,对尖化前缘外形进行测热测压风洞试验,同时利用数值分析和理论手段开展尖化前缘热环境预示方法研究。获得了两种小尺寸前缘半径尖化前缘外形压力和热流的分布规律,分析了在半径较小的情况下,经典的Fay-Riddell驻点热流计算公式和前缘后掠圆柱方法的适用性。研究结果表明,Fay-Riddell公式在小尺寸的情况下已不再适用,采用层流后掠圆柱方法可以模拟尖化前缘中心线上的热环境。     

国外高超声速飞行器气动弹性和气动热弹性概述

概述了国外在高超声速飞行器气动弹性和气动热弹性领域进行的研究活动,重点关注对非定常高超声速气动力学的建模和把流体与结构之间的热传递纳入气动弹性求解等两个问题,归纳出了未来高超声速气动弹性力学和气动热弹性力学的发展方向。由于吸气式高超声速飞行器机体、推进系统和控制系统的强耦合性,未来的发展趋势是把先进计算气动热弹性法纳入飞行器的综合分析。     

HIFiRE-1飞行器激波与边界层干扰气动热研究

高超声速飞行器存在典型的激波与边界层干扰,由此产生的流动分离与再附会带来严重的气动加热问题。采用雷诺平均方法对HIFiRE-1飞行器激波与边界层干扰气动热进行了数值模拟。讨论雷诺数、马赫数等来流参数和飞行器裙体张角、裙体长度等结构参数对气动热的影响,并分析其影响机理。研究结果表明：柱裙拐角处由于存在边界层分离、再附及强烈的激波干涉,导致飞行器壁面存在严重的气动热问题,控制边界层分离和流场结构能有效控制飞行器壁面热环境。改变来流参数和结构参数会对边界层分离、再附和流场结构带来较大影响,具体表现为：来流雷诺数变化时流场结构变化较小,但会大幅度影响再附热流密度;来流马赫数变化时分离激波与飞行器壁面夹角发生变化,相应的气动热有较大变化;裙体张角变化时引起分离区尺度变化,进而改变壁面热流分布;裙体长度变化时影响边界层分离、再附特性,导致壁面热流分布发生变化。     

临近空间飞行器再入滑移区气动热数值模拟

计算流体力学方法(CFD)模拟滑移流区高超声速气动热时误差较大,直接蒙特卡罗模拟方法(DSMC)耗 费计算资源。考虑速度滑移和温度跳跃,采用带滑移条件的CFD 方法对钝头双锥体绕流进行计算分析。采用添加2 阶滑移条件的N-S 方程,模拟双锥绕流气动热,并与DSMC 结果和文献数据进行对比分析。结果表明：滑移条件使 壁面热流分布更接近DSMC 模拟值,并且在克努森数不太大的过渡流区仍保持较好适用性;在克努森数较大时,带 滑移条件的CFD 方法模拟的流场结构存在一定误差。     

变体飞行器的气动结构对控制系统的影响

为了研究变体飞行过程中不同的气动结构对控制系统产生的影响,利用多刚体动力学对飞行器各个通道进行建模,通过对变体过程气动参数的研究,探寻变体飞行器不同变形状态的升阻比变化规律,推导了飞行器实现最佳控制品质的控制律。设计了线性二次型控制器,并通过Simulink进行仿真验证,结果表明:计算条件下变体飞行器的最佳升阻比可以改变36%,收敛快速性可以提高128.61%; 通过变体,飞行器可以大幅度改变升阻特性,系统稳定性和收敛快速性都得到了很大提高。     

高速飞行器瞬态热分析及修正方法探讨

为了满足当前工程研制过程中对瞬态热分析模型有效修正方法的迫切需求,结合高速飞行器热控系统研制的实际,首先提出高速飞行器瞬态热分析及修正流程,开展修正参数的敏感度分析,然后针对重要设备提出通过开展局部的单机热试验,修正重要的关键单机热参数,从而实现在基于局部试验的前提下不断逼近整机热分析真实结果的修正,该方法不但提高了热分析的准确性,还满足工程研制过程中的实际需要。