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。     

涵道飞行器涵道本体气动特性研究

涵道本体气动特性直接影响着涵道飞行器的动力性能.文中对影响涵道气动特性的结构参数进行了量化,并使用自适应笛卡尔网格对仿真模型进行了网格划分以提高解算的速度和精度,随后采用Jameson 有限体积法对具有不同结构参数的涵道模型进行了仿真研究,通过对仿真结果进行对比分析,得到了涵道本体结构参数与涵道飞行器升力特性间的对应关系.     

高超声速飞行器巡航燃料消耗分析

针对某一高超声速飞行器模型,对飞行器巡航中的燃料消耗进行了分析计算。首先计算了不同高度和速度下飞行器稳态巡航的燃料消耗,得到了要实现某一速度的稳态巡航,则高度必须在一定的范围内,反之亦然的结论。其次,用遗传算法优化得到周期巡航的燃料消耗,结果表明,当飞行迎角在5°附近时,周期巡航燃料消耗较少。最后,对两种巡航状态的燃料消耗进行了比较,得出周期巡航比稳态巡航节省燃料的结论。     

类X-51A飞行器巡航状态气动与燃烧流场特性分析

以类X-51A 高超声速飞行器为研究对象,重构了其机体外形及内部超燃冲压发动机的一体化模型,并通过数值方法研究了该目标巡航状态下的气动与燃烧耦合流场特性。数值分析结果表明:类X-51A 飞行器高压区主要集中在机体头部、进气道压缩段、进气道入口侧壁及尾翼前缘,且内部燃烧室的总体压力显著高于机体表面的;燃烧室内靠近两侧壁面的喷孔燃料喷注深度高于中间喷孔的,下游喷孔喷注深度高于上游喷孔的,凹腔附近喷孔喷注深度高于无稳焰结构的壁面喷孔的;燃烧产物羽流长度超过50 m,且持续向机体上方发生偏移。计算结果可为类X-51A 及相关飞行器红外探测与目标识别等技术提供流场数据参考。     

高超声速巡航飞行器及其应对策略

在未来的空袭中,高超声速巡航飞行器具有其它武器所不可比拟的优势,它必将成为一种新威胁.首先分析了该飞行器的卓越性能,然后阐述了它的军事用途,其次分析了它的出现所产生的影响,最后针对这种新型的威胁,给出了几点应对策略.     

超音速大攻角旋转飞行器气动特性数值方法研究

研究了超音速大功角旋转飞行器气动特性的数值方法。以ＷｏｏｄｗａｒｄＦＡ有限基本解方法的为基础，计及了旋转对弹体和弹翼诸脱落涡系生成，发展的影响，编制了相应的计算机程序，并对典型配置飞行器的气动特性进行了计算。     

考虑多重影响因素的巡航飞行器增程优化设计研究

为有效提升现有巡航飞行器的航程,在不改变飞行器总体布局的情况下,考虑气动特性、质量等多重因素影响,研究了某巡航飞行器增程优化技术。首先,分析了巡航飞行器在典型飞行任务下的气动特性以及优化所需的有效参数;其次,构建了机翼翼展变化时翼展长度与机翼面积的映射模型,估算了不同翼展长度情况下飞行器质量的变化;然后,以翼展长度作为直接设计变量,考虑计算精度与优化效率,设计了基于遗传算法与神经网络相结合的优化方法,完成特定飞行条件下的航程优化。仿真分析表明,在设计约束范围内,当翼展长度增加到原来的1.16倍时,其航程相比原来可以增加18.03%,达到性能最优,同时,将影响航程变化的质量要素纳入设计优化,提高了性能优化的精准性。本文方法具有一定的理论和应用价值。     

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。     

双燃料升力体巡航飞行器设计

叙述了Ma＝10的双燃料(吸热碳氢燃料/低温氢燃料)升力体巡航飞行器的设计,最终结构质量不超过277 t,可携带4 540 kg有效载荷,作战半径可达15 750 km.设计要求根据其任务要求、操作方面考虑和性能问题而确定.给出了气动方法和性能结果,同时给出了参数进气道设计研究的结果.飞行器外形的长细比优化是通过飞行器宽度和高度变化的参数研究来完成的,在进行长细比研究时,除了考虑壳体质量和平面形状对飞行器起飞和巡航性能的影响外,还引入了流迹性能特性的CFD(计算流体动力学)计算结果.     

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。     

遭毁伤巡航导弹气动特性风洞实验研究

通过对“战斧”多用途巡航导弹风洞实验模型的设计和不同马赫数、攻角及侧滑角下气动特性参数的测试,得到弹翼折弯角对侧向力系数、偏航力矩系数、升力系数以及前部阻力系数的影响规律.结果表明,随着弹翼折弯角的增大,侧向力系数和偏航力矩系数近似呈线性增长,这种影响随马赫数增大而增强,但对升力系数、前部阻力系数、滚转力矩系数、俯仰力矩系数等特性参数的影响并不显著.     

基于气动耦合的导弹适配器初始分离弹道数值分析

为了准确预测与导弹分离后导弹适配器的初始分离弹道,使用基于局部重构方法的动网格技术,将适配器的运动与流场的变化耦合。通过CFD方法实时求解适配器飞行过程中的气动载荷,并对适配器的六自由度运动微分方程进行求解。使用基于尺寸函数的局部重构方法对适配器周围网格进行更新。通过数值计算得到了适配器在初始分离弹道阶段的气动载荷系数曲线,以及适配器的分离速度、角速度曲线和分离飞行轨迹,并与试验结果进行了对比,两者高度一致。结果表明,在分离初速的作用下,适配器与导弹的距离逐渐增大,在气动力作用下适配器发生偏转,直到初始分离弹道结束适配器未与导弹发生碰撞。     

某灵巧枪弹气动特性数值计算分析

为提高枪弹的命中精度,对一种增程灵巧枪弹的气动特性数值计算进行分析。建立枪弹计算模型,应用 气动仿真软件FLUENT,采用数值仿真的方法,分析弹头及弹尾外形尺寸变化对灵巧枪弹气动特性的影响规律,并 以国外枪弹为基础对其进行算例验证。仿真结果证明了该数值仿真方法的准确性,可为枪弹气动特性分析提供参考 依据;随着弹尖半径的增加,枪弹阻力系数逐渐增大,升力及俯仰力矩系数的变化并不明显;随着圆弧部半径的增 加,枪弹阻力系数增大,升力系数减小,俯仰力矩系数增大,枪弹纵向静稳定性减弱;随着交界处半径的增加,枪 弹阻力系数减小,升力系数减小,俯仰力矩系数增大,枪弹纵向静稳定性减弱。     

高超声速巡航气动参数/轨迹联合优化与算法比较

针对高超声速稳态巡航飞行的气动参数/轨迹联合优化问题,设计了嵌套形式的两级优化器。其中,内层优化器针对巡航轨迹进行优化,优化算法选用序列二次规划算法(Sequential Quadratic Programming,SQP);外层优化器基于巡航轨迹的优化结果,对气动参数进行优化,分别采用序列二次规划算法、遗传算法(Genetic Algorithm,GA)和基于两者的混合算法进行优化。对整个联合优化问题进行了描述,对嵌套联合优化的方法优势和流程进行了说明。给出了嵌套优化器在内外2层的优化模型,包含设计变量、目标函数和约束条件。最后,进行了多组联合优化仿真,得到了巡航航程随升阻比提高的优化幅度曲线。同时,对不同外层优化算法下的优化全局性、计算效率等进行了对比分析,并结合各方法的优缺点,给出了实际优化问题中优化算法选用的建议。     

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.     

格栅翼空气动力特性数值模拟研究

为了研究格栅翼的气动特性,采用数值模拟方法求解三维NS方程组,对格栅翼和平面翼战术导弹大攻角流场进行了数值计算,并重点分析了几何特征尺寸对格栅翼气动特性的影响。结果表明:与平面翼相比格栅翼具有失速攻角大、铰链力矩小等优点;格栅翼的格数、格壁厚度、剖面前后缘楔角对翼面法向力影响较小,对轴向力影响很大。     

高超声速炮弹气动数值模拟

针对高超声速弹丸飞行阶段的计算研究中,除了对其进行气动热模拟之外,另一项重要任务就是气动力的计算问题,采用SST k-ω湍流模型,运用AUSM+格式对非定常三维可压缩流体进行了数值模拟,再现了高超声速条件下炮弹周围复杂的流动现象,得到了流场的分布规律.计算结果表明,在研究范围内,高超声速弹翼组合体数值计算结果与工程计算结果吻合较好,为进一步高超声速炮弹研究提供了技术参考.     

“钻石背”弹翼气动特性数值模拟研究

用计算流体力学与阻力系数工程预估相结合的方法研究了"钻石背"弹翼前、后翼条之间气动干扰以及翼型、前后翼条的相对高度对气动特性的影响。计算结果与实验结果对比表明,在中小攻角,数值计算与阻力系数工程预估相结合的方法是可信的;采用亚声速低阻NACA64-108翼型可明显地增大"钻石背"弹翼的升力,减小阻力,增大升阻比;钻石背"弹翼前、后翼条之间的气动干扰,使升力减小,阻力增大;前翼条在上,后翼条在下的配置能减弱这种不利的气动干扰,并且在计算的范围内,后翼条至前翼条的垂直位置ΔH为9mm时,"钻石背"弹翼前、后翼条之间的气动干扰最小,升阻比最大。     

子弹头部对亚音速气动特征影响数值模拟

文中根据子弹气动理论对子弹外形进行了气动优化讨论.针对带药型罩子弹药可能使用的头部外形,对子弹药简化模型进行了CFD计算和风洞测试.根据计算分析结果认为:内凹、平面、外凸三种子弹头部外形对子弹气动特性的影响集中表现在子弹的阻力系数中,其对子弹升力、偏航力、阻心位置的影响较小,附于子弹侧壁的小尺寸目标探测器导致的不对称性对子弹气动特征影响较小,不带尾翼子弹阻心位置比较靠前端,这可能影响子弹飞行稳定性要求.提出增加尾翼稳定装置来保证飞行稳定.