采用大涡模拟LES方法计算了火箭发动机超声速过膨胀射流形态及近场声压分布,研究了入口温度与环境温度的比值(温度比)对声场的影响;将声源分解,基于Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H)方程获取了不同位置噪声源的远场噪声,并根据声压级频谱和湍流形态分析了超声速射流噪声的产生机理。研究表明,超声速过膨胀射流气动噪声由湍流混合噪声和宽频激波噪声组成,近场噪声源以马赫波形式向大方位角辐射中高频噪声,下游大尺度湍流向低方位角范围辐射低频噪声,声压级峰值频率随观测角度增大而升高;随温度比升高,马赫波辐射角度增大,噪声指向性发生改变。该研究可为运载火箭发动机地面试车或火箭发射段声学环境设计提供参考。

为便于火星着陆器抛背罩安全性仿真,针对火星着陆器简化外形开展了背罩分离的定常数值计算,分析了着陆平台与背罩之间的气动效应,获得了着陆平台与背罩的轴向力系数随分离间距的变化规律。结果表明:初始分离瞬间,由于着陆平台嵌入背罩内部,它们之间的压力接近驻点压力,随着分离间距的增加,背罩与着陆平台之间的压力逐渐由接近驻点压力慢慢过渡到接近底部绕流压力,至分离间距为0.1倍大底直径后,背罩一直处于着陆平台的底部绕流区。分离间距为0~0.06倍大底直径时,背罩的轴向力系数大于着陆平台,容易分离;分离间距为0.06~6倍大底直径时,着陆平台的轴向力系数大于背罩,存在分离后重新结合并发生碰撞的危险,且在分离间距为1倍大底直径时,着陆平台与背罩之间由于回流作用而产生的吸力达到峰值,此时发生碰撞的危险系数最大;分离间距超过6倍...

针对高超声速飞行器热环境预测上有着重要应用的关联方法缺乏构造机制和适应性分析的问题,从驻点热流的Kemp-Riddell公式出发,推导了驻点斯坦顿数和雷诺数之间的经典关联关系,从理论上分析了上述关系的适应性。结果显示斯坦顿数和雷诺数关联关系受马赫数的制约,飞行条件和试验条件马赫数变化范围较大的情况下,更适合采用雷诺数和马赫数的组合变量开展关联分析。当试验来流静焓较低的情况下,过低静焓对热环境的关联特性有不利影响,需要提高试验来流马赫数,远离临界马赫数确保地面数据同飞行条件之间的关联性。在国内4座风洞上开展的风洞试验和DSMC/CFD的数值仿真分析工作,校验了上述结论在连续流区域的正确性。

基于有限元-多层快速多级子方法(FEM-MLFMM)提出天线罩力热电一体化分析方法,以平板为研究对象,验证一体化分析方法的准确性;以大尺度升力天线罩为研究对象,开展气动力和气动热载荷下结构的力-热-电一体化分析,评估力/热环境下结构的强度性能,并探究力/热载荷对结构电磁透波性能的影响规律。研究结果表明提出的一体化分析方法具有较好的分析精度;在气动力载荷下,天线罩透波性能下降,下降幅值随着气动力载荷的增大而增大;高温引起的材料电磁参数变化对天线罩透波性能有较大影响;在天线罩结构设计阶段,需要充分考虑气动热和气动力载荷对其电磁性能的影响。

针对高超声速飞行器面临的严重气动热集中、累积和时变问题,从气动热耗散、输运和转换三个方面,分别论述了被动热耗散材料、结构和主动热耗散技术,基于高导热材料、热管和工质对流的热输运技术,以及再生转换和热电转换技术的研究现状及其在高超声速飞行器上的应用案例,提出了上述技术在面临高超声速气动热时存在的问题。最后,针对高超声速飞行器气动热耗散、输运和转换技术的发展趋势进行了展望。

为提升高超声速滑翔飞行器再入气动系数的刻画精度,基于公开的CAV-H气动系数数据,本文提出了一种改进的高超声速滑翔飞行器再入气动系数拟合模型。首先,建立攻角二次项和马赫数负指数幂项相结合的气动系数拟合模型。其次,利用多元非线性最小二乘法对模型进行参数辨识,并采用拟合优度评价了该模型对气动系数数据的解释程度。然后,依据该模型从升阻比角度分析了气动模型飞行特点。最后,对本文改进模型进行数据拟合仿真,分析升阻比特性,并进行再入轨迹优化任务仿真。气动数据拟合实验表明,与现有典型模型相比,改进模型拟合误差降低,拟合优度进一步提高。不同定升阻比的飞行仿真实验表明,应用改进模型可全面刻画再入滑翔飞行特性。再入滑翔飞行任务仿真结果表明,相较于对比模型,改进模型得到的再入轨迹更为平稳。

针对具有复杂围护结构光学窗口传热特性,建立了高热流作用下的光学窗口及其复杂围护结构的辐射-导热传热模型,分别讨论了窗口的辐射半透明、光谱选择性、外部加热热流以及窗口尺寸对其瞬态温度响应的影响。结果表明,忽略窗口半透明特征会产生最大31.4%误差,忽略光谱选择性会产生最大40.4%误差;窗口外部气动加热热流影响显著,温度响应随热流的增大而急剧增大;窗口厚度对其传热特性的影响较大,随着厚度的增大窗口温度响应减小;而窗口半径产生的影响可忽略不计。

针对跨流域空气动力学理论的不完善、多物理非平衡效应耦合的跨流域流场高精度预示模型缺乏、大空域和宽速域流动控制难度大等问题,本文从气动布局、气动预示和气动优化三个方面对跨流域高速飞行器气动设计的研究现状进行了回顾,对气动设计中涉及到的难点和关键问题进行了思考,并提出了相关发展建议。

为更准确地描述大气飞行过程,提出一种三段式大气飞行模型,将大气飞行段分为下降段、平飞段和上升段,使用大气飞行角和航迹角描述飞行过程,并建立了相应的计算模型。对"地球-火星-地球"、"地球-火星-金星-地球"和"地球-金星-火星-地球"自由返回轨道序列的优化结果表明,三段式模型可以准确描述气动引力辅助过程,同时气动引力辅助技术可以有效提升自由返回轨道性能,如减少转移时间,降低燃料消耗等。

针对索式火箭回收着陆系统中摩擦缓冲装置的缓冲能力和调节能力有限的问题,提出了一种基于最小二乘法和系统动力学特性的液压缓冲装置反问题设计方法。该方法通过对液压缓冲装置中控制阀凸轮外形和储能器初始压强的设计来调节着陆火箭运动学特性,使火箭按照特定的运动学特性在有限的缓冲位移内减速至静止稳定且缓冲加速度最小。对索式火箭回收着陆系统建立精准高效的多体动力学模型,并针对不同的工况进行仿真校验。仿真结果表明根据所提反问题设计方法设计的索式火箭回收着陆系统能够按照特定的运动学特性减速缓冲着陆火箭,具有较强的减速缓冲能力;针对不同质量和着陆位置偏差的着陆火箭,具有自动调整液压阻力保持火箭相同的运动学特性的能力。