针对高超声速气动热数值模拟的网格尺度问题,以双椭球外形为研究对象,开展了法向网格增长比对热环境计算结果影响的研究。结果表明:法向网格增长比不宜过大,否则流场结构会发生改变,导致热流计算结果不准确。基于MOE方法将计算热流值进行插值处理获得了热流"精确值",并以该值为参考量化了法向网格增长比的网格无关范围,当法向网格增长比控制在1.02~1.21时,热流计算结果对网格的依赖性较小。计算热流值与试验值对比良好,有较高可信度。

设计了一种采用"一"字平面鸭舵的尾翼式制导炮弹气动布局,并针对其高超声速特性进行了适配的气动参数计算。炮弹头部采用阻力较小的冯卡门形母线,长度为口径d的3.5倍,弹身中段为长5d的圆柱段,尾部长3d,收缩比0.8;设计了八片尾翼的稳定结构,为减小气动热,钝化了头部鼻尖及翼前缘,分析并计算了弹翼的安装位置、面积及几何尺寸;利用牛顿理论对该制导炮弹的高超声速气动特性进行工程计算,获得升力系数、阻力系数、静稳定系数等相关气动参数。结果表明:本文设计的高超声速制导炮弹的气动布局具有良好的高超声速特性及可控性,满足设计要求。研究结果可为高超声速制导炮弹总体设计提供参考。

本文梳理了美国军方和军工部门提出的4个高超声速作战飞机概念方案,对比分析了各个概念方案的气动布局特点,按照时间线总结分析了两批概念方案气动布局的演化特征和方向。分析认为,美国高超声速作战飞机气动布局呈现出提升低速特性、降低内外流耦合程度、增加机身容量等演变方向,为紧密掌握高超声速飞机发展方向提供参考借鉴。

为了研究减阻杆对探空火箭气动力特性,通过采用SST两方程湍流模型、有限体积法求解N-S方程,对探空火箭高速流场进行数值模拟。计算结果显示,减阻杆能有效减小火箭阻力。亚跨声速(Ma0.8~1.2)最大减阻25%;高超声速(≥Ma6)阶段,最大减阻量35%,减阻效果随迎角增大而降低,到12°迎角时减阻量为12%。压跨声速及高超声速全箭升阻比增量随马赫数增大均增加,高超声速阶段升阻比增大18%。同时采用工程方法结合数值预示结果,评估减阻杆带来的气动热影响,结果显示,气动支杆的存在使得端头的平均热流密度下降了51%,并与飞行试验结果进行对比分析。计算得到热流结果与飞行实测热流结果相当,热环境预示比较准确,对于高超声速阶段的飞行器被动热防护技术研究具有良好的指导价值。

由于风洞试验条件限制,难以完全模拟火星再入飞行器真实飞行环境,因此需要建立火星再入飞行器风洞条件与真实飞行之间的关联关系。基于国外文献公开数据,采用数值方法和对比分析方法探讨了类"探路者号"外形的火星再入飞行器的风洞试验与真实飞行之间的外推方法。结果表明,在高焓空气风洞和常规空气风洞试验条件下,可以将模型驻点附近的无量纲压力和压力系数作为相关性参数,将风洞条件与飞行条件相关联起来,但是不能直接利用风洞试验的热流、无量纲热流和Stanton数作为关联参数;在高焓CO2风洞试验条件下,可以利用模型驻点附近的无量纲压力、压力系数和Stanton数作为外推参数,但是不能直接将风洞试验的热流、无量纲热流作为相关性参数,将风洞条件下的风洞数据通过外推获取飞行条件下飞行器的性能参数。

光学成像制导飞行器在大气层中以高超声速飞行时,其成像窗口附近强压缩流场的气动光学效应会导致成像过程出现抖动、偏移和模糊,影响制导精度.为研究该问题,搭建了基于高超声速(Ma=6.0)炮风洞的气动光学地面模拟平台.利用高速摄像机获取了多种喷流压比状态下光学头罩成像图片,研究了成像特性.基于背景纹影技术(background oriented schlieren, BOS)直接获取气动光学畸变的点扩散函数信息,结合Wiener滤波方法对地面模拟平台获取的成像畸变结果进行了校正,并结合灰度分布、峰值信噪比(peak signal-to-noise ratio, PSNR)和结构相似度(structural similarity, SSIM)对校正结果进行了定性和定量评价.成像结果表明,头罩无冷却喷流时成像质量最好,在压力匹配附近头罩成像质量相对于欠压喷流和过压喷流成像质量较好.图像校正结果表明,风洞运行过程中采集的时间序列图像在校...

先进的高超声速飞行器具有薄壁空腔结构,在飞行过程中受热会产生空腔内气体流动现象,从而影响流场和结构的温度分布。采用数值方法准确模拟高超声速流场、结构温度场和空腔内流动对热结构分析是很有必要的。以研究空腔流动对结构温度分布影响为目的,发展了一种适用于多流动区域流场/结构温度场耦合问题的同步计算方法,并以高超声速带空腔结构物体为例,数值研究了其外部气动热/结构热传导引起的空腔热对流问题。以已发展的高超声速外流场/结构温度场同步计算方法为基础,为了进一步考虑空腔内低速流场,采用了预处理矩阵方法。在流场与结构温度场的交界面两侧分别引入虚拟单元,从而高效地实现相邻场之间物理信息交换。首先通过标准算例验证了方法在求解单独气动热/结构热传导问题以及空腔自然对流问题中的准确性。进而对封闭和...

针对高超声速飞行器气动布局设计难点,文章提出了基于多个基准流场的多部件组合设计方法.以锥导乘波体为基准,采用分段接序、多片组合的高超声速可调参数的气动布局设计,将飞行器分解为前体、机翼和中心体设计.前体和机翼以乘波体为设计思路,中心体构型根据装载需求设计,从而达到飞行器在边缘能够满足压力封闭,有效容积集中在中心体附近的总体布局思路,使得飞行器各部件功能清晰化.最终实现具有“乘波特性”的高超声速巡航飞行器参数可调的布局设计.文中对比了组合布局与传统乘波体的差异,在前体不变的情况下,研究了中心体长度、长宽比和长厚比对飞行器气动性能的影响.采用自由变形技术(free-form deformation,FFD)实现了高超声速飞行器的参数化和优化设计流程.结果表明组合布局具有更高的容积效率,可实现多参数化调节,具有良好的乘波...

飞行器再入过程中在恶劣热环境作用下会发生烧蚀,准确预测烧蚀外形变化对飞行器的防热设计和稳定性分析非常重要。针对碳/碳钝锥烧蚀防热结构,在考虑气动热和烧蚀的耦合作用下,建立了沿弹道的钝锥烧蚀外形快速预测方法。首先通过轴对称比拟法获得钝锥表面热流,继而由表面热流作为输入求得表面烧蚀量,预测结果与风洞烧蚀试验对比表明外形吻合较好,驻点烧蚀率误差小于30%。

为减小高超声速火箭橇在轨运动时由于气动升力导致的运行不稳定,故在其前、后滑靴上安装导流板以提供负升力。以考虑粘性的稳态三维可压N-S方程为控制方程,采用经熵修正的Roe空间差分格式、LU-SGS隐式时间推进格式,使用两方程可实现k-ε湍流模型,对14种气动外形进行了CFD仿真,从导流板气动效果、流场特性、外形优化和速度影响四个方面进行了研究。结果表明:导流板可增大火箭橇负升力,增强其运行稳定性;火箭橇流场存在大量激波反射、激波干扰行为,影响着导流板周围流场的密度、温度、速度、湍动能与涡线分布,也影响着导流板所受的气动力;导流板的尺寸及安装角会影响导流板的气动性能,且安装角对其影响更明显,以此可进行导流板的气动外形优化;随着马赫数的增大,前导流板负升力及阻力增大程度相比于后导流板更为明显。