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。     

高超声速飞行器热防护结构研究进展

热防护结构设计是实现与推进高超声速飞行器发展的关键技术之一。介绍了高超声速飞行器热防护结构技术研究现状,指出了其发展趋势:由单一的热防护结构向承载/防热一体化结构及多功能一体化结构发展;超高温材料、相变材料、仿生概念和热电技术开始引入热防护结构,并给出了高超声速飞行器热防护结构设计相关建议。     

高超声速飞行器结构材料与热防护系统

随着人类对高超声速飞行器的不断探索,结构材料和热防护系统已成为高超技术发展的瓶颈。首先介绍了X-51A和X-43A的项目概况、结构材料和热防护系统,然后分别从高超声速试飞器超高温热防护材料、大面积热防护材料和热防护系统等几方面对X-51A和X-43A试飞器进行了分析,最后提出了结构材料和热防护系统发展的关键技术。     

高超声速飞行器薄壁结构热屈曲行为研究进展

壁板结构在高超声速飞行器机身和机翼中大量使用,壁板在高温及压缩/剪切等复合载荷联合作用下屈曲强度成为设计的关键。主要介绍了美国NASA在壁板高温稳定性方面的研究情况,包括壁板热屈曲理论和有限元分析及试验研究两个方面。重点分析了壁板热屈曲分析技术的研究进尺和壁板热屈曲试验技术的研究进尺。     

高超声速飞行器鼻锥的热环境和结构热分析研究

基于典型的高超声速气动加热飞行环境,利用热流迭代修正方法对轴对称一体化结构高超声速飞行器鼻锥进行结构温度场分析.首先通过流场计算得到飞行器鼻锥的冷壁边界热流密度分布,并将其作为结构热响应有限元计算的初始边界条件.为了验证计算方法的可执行性,并为计算结果分析比较提供参考数据,首先进行只考虑导热和辐射的计算,不考虑壁面温度变化对热流影响的热流修正迭代计算.而后,针对壁面温度随时间变化,对热流密度进行修正,进行多次迭代计算模拟,用以确定高超声速飞行器鼻锥材料以及结构设计尺寸.     

高超声速钝头体气动热分析

以高超声速再入体为例,通过求解Euler方程来确定物面边界层外缘参数.在理论与半经验公式基础上,利用参考焓方法计算了零攻角弹头的表面热流密度,得到了壁面辐射平衡温度曲线,结果验证了高超声速飞行器采用钝前缘的防热效果.在此基础上,利用有限元法,分析了球头驻点区域附近沿厚度方向的温度场,为再入弹头防热方案的初步设计提供了参考.     

高超声速气动热环境工程算法

对高超声速飞行器气动热环境工程算法进行研究.基于Prandtl边界层理论,将流场分为边界层外的无粘流场和边界层内粘性主导的区域,并将两者的工程算法相结合,发展了一套高超声速气动热的计算方法.对于无粘流区,边界层外缘参数的计算采用完全气体模型和平衡气体模型,利用等熵条件来确定;在边界层内部,基于参考焓方法,采用经典热流密度公式,确定物体表面的气动加热.采用此方法对一些简单三维外形进行了气动热计算,证明所述方法具有较高的精度.     

波音公司高超声速飞行器材料结构热防护技术发展态势分析

以专利为视角,分析美国波音公司在高超声速飞行器材料结构热防护技术方面的专利布局特点及发展态势,总结其在相关领域的有效经验,并提出针对我国高超声速技术发展方面的启示与建议。     

高超声速飞行器结构热力耦合试验与评估技术进展

高超声速飞行器在再入飞行段、巡航飞行段经历的严酷气动热环境与挑战对结构热/力耦合试验与评估技术提出了相当高的要求。针对高超声速飞行器研制对热力耦合试验与评估技术需求,对高温湍流模拟试验技术、静/热耦合试验技术、热模态/振动耦合试验、热/噪声耦合试验技术、热/真空试验技术、热模态测试技术、大型热/结构试验技术、热/振动/噪声试验技术、高温测试技术等技术进展分析总结,指出了热力耦合试验与评估技术发展方向。     

高超声速飞行器热防护技术发展态势分析

热防护技术是高超声速飞行器必须解决的关键技术之一,自1964年高超声速热防护概念首次出现以来,受到越来越多国家和机构的关注。以检索到的公发表的950篇相关文献为分析对象,总结了热防护整体发展态势;并选取NASA兰利研究中心、NASA艾姆斯研究中心、德国国家宇航中心和日本国家空间总署四个机构,详细介绍了机构整体情况、研究主题分布、重要合作对象与核心研究人员;后分析了不同时期高超声速热防护技术的发展情况。     

高超声速弹丸头部气动热研究

采用有限体积TVD差分格式求解三维欧拉方程,数值模拟了来流马赫数Ma∞大于5的弹丸流场.利用数值计算求得相关参量,并代入求解热流密度的经验公式,得出弹丸头部的热流密度和温度分布情况.此研究是计算热流密度的尝试.计算结果表明,求出的热流密度分布符合基本规律.     

高超声速飞行器气动耦合特性分析与补偿控制

针对高超声速飞行器具有强耦合、控制器设计困难的问题,主要分析了飞行器的气动耦合特性,并在其基础上进行了耦合补偿控制器的设计。首先建立了高超声速飞行器的运动模型,并对气动模型进行了初步分析;然后利用对角优势阵理论对飞行器的气动耦合特性进行了详细分析,得到了稳定力矩耦合、阻尼力矩耦合以及操纵力矩耦合特性随马赫数、攻角及舵偏角的变化规律;最后,结合气动耦合特性设计了耦合补偿控制器,并进行了仿真验证。仿真结果表明,耦合补偿控制器的设计能有效降低飞行器三通道之间的气动耦合,提高了控制系统的动态响应能力和控制精度。     

高超声速飞行器六自由度建模及耦合特性分析

针对高超声速飞行器进行无动力再入建模及耦合特性分析。基于空天飞行器在高超声速状态下的气动力及气动力矩参数数据,采用神经网络拟合并建立气动参数模型。分析了飞行器在最大升阻比下飞行时舵机对弹道的耦合特性,以及气动力对姿态角速度、姿态角速度通道之间的耦合特性。仿真结果表明高超声速飞行器模型是一类参数时变、强耦合的复杂非线性系统,该模型可用于弹道优化、制导律及姿态控制等问题的设计及研究。     

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。     

高超声速飞行器辐射式热防护系统概率分析方法

针对辐射式热防护系统设计输入变量的随机分布问题,结合有限元瞬态传热方法和蒙特卡洛直接抽样方法,建立了一种概率瞬态热分析方法。针对典型辐射式多层热防护系统,考虑各层热防护方案的厚度、材料热导率、比热容、密度等因素的随机分布,仿真得到了热防护系统表面最高温度和背面最高温度的随机分布特性,以及设计参数的灵敏度分析结果,对热防护系统的设计工作具有指导意义。     

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%。     

高超声速飞行器舵轴热控方案设计

某高超声速飞行器中的空气舵舵轴存在5 mm缝隙裸露于外部,承受超高热流密度作用,且总体设计要求舵轴表面不能覆盖防隔热层,为保证舵轴在飞行过程中最高温度不超过700℃,提出了采用CO_2气体强迫对流与舵轴表面镀铜的组合式热控方案。同时兼顾飞行器综合热管理,液态CO_2提供的有效冷量先冷却电子设备,再进入舵轴主动冷却,从而充分利用了CO_2冷量,可同时满足电子设备冷却和舵轴热控的双重需求。计算结果表明,组合式热控方案可以使舵轴在3000 s的飞行过程中表面温度维持在700℃以下,有效地解决了局部超高热流密度轴的热控难题,评估系统代偿约11 kg,从而论证了工程应用的可行性。     

高超声速单/多喷管逆向喷流降热特性研究

作为一种主动热防护技术,逆向喷流因其可以显著地降低飞行器的气动加热环境,是未来主动热防护系统的一种有效的选择.本文重点开展逆向喷流降热技术的研究,围绕单喷管和多喷管逆向喷流降热技术,针对高超声速飞行器头部研究了两种逆向喷流降热方案的降热特性,研究表明单喷管逆向喷流降热具有局限性,多喷管逆向喷流降热更具鲁棒性和工程适应性,具有更广阔的应用前景.     

基于高超声速飞行器热结构试验的光纤应变测量技术研究

高超声速飞行器研制过程中常利用电弧加热设备开展热结构试验,需通过应变测量对考核件在气动、温度载荷下的热结构性能进行评估。通过利用单模光纤加工形成的Fabry-Perot干涉腔来感应考核材料的应变量,并获取试验测试数据,讨论分析该技术在传感器制作工艺、安装工艺、检测评估等方面存在的问题。试验研究结果表明F-P光纤应变计适用于电弧加热设备热结构试验,响应灵敏,安装方便,但高温下测试性能不稳定,需要在制作安装工艺和高温性能检测评估上开展深入研究,提高F-P光纤应变计的稳定性和一致性。