针对高超声速飞行器一体化设计方法现状的分析,阐明了吸气式发动机与乘波体飞行器之间高效的一体化对于高超声速飞行的重要作用,并从理论、原理、设计方法3方面进行介绍。在激波理论方面,通过从直线激波的求解拓展到二次曲面激波的求解,为3维曲面激波的研究提供了帮助;在乘波原理方面,将乘波原理从外流乘波拓展到内流乘波,继而提出1种兼顾内外流需求的双乘波原理,深化了乘波原理的内涵;在设计方法方面,对于基本流场的气动设计问题,提出更加高效的一体化气动反设计方法。综上分析并归纳出准3维内外流一体化乘波理论与方法,从而在现有“准3维”研究体系上,构建并完善了全3维内外流一体化乘波理论与方法,对于复杂3维超声速内外流一体化设计技术的发展具有一定借鉴作用。

对乘波构型在高超声速ISR平台气动外形设计上的应用问题进行了研究。基于高超声速ISR平台的总体参数,对锥导乘波体进行了参数化几何建模。以升阻比和容积率为优化目标,采用正交试验设计方法、非线性回归模型和粒子群算法对锥导乘波体进行了多目标优化设计。选取Pareto前沿中的4个特征点作为高超声速ISR平台的初步气动外形,采用数值计算方法对其进行了性能分析,并对设计需求进行了初步验证。研究结果表明:上下表面"双凸"、两侧近似机翼的乘波体在保持较高升阻比的同时又具有较大的容积率,满足航程、载荷和起飞重量等设计指标的需求,可用于高超声速ISR平台气动外形设计。由于航程指标值较大,对燃油结构质量比的要求较高。

级间连接托可显著增加高超声速飞行器与助推器间的连接刚度，针对此种连接形式在级间分离阶段对飞行器带来的气动干扰问题，以类X-43A飞行器为研究对象，采用数值模拟方法对分离干扰机理进行了研究。研究表明:级间连接托导致飞行器在分离时产生较大附加低头力矩和升力，此种干扰是分离涡流区和激波/涡流相互作用的结果;考虑连接托的干扰影响时，飞行器运动轨迹与自由飞轨迹存在差别，尤其俯仰角变化显著不同。

针对系统内不确定性参数摄动的高超声速飞行器(Hypersonic Vehicles,HV)模型,考虑到传统气动系数简化模型无法真实反映飞行器的气动特性和高超声速下某些不确定性参数摄动的问题,提出了一种改进的气动系数模型,利用改进模型得到准确的气动系数参数,设计了一种基于某些不确定参数的模糊函数逼近的高超声速飞行器滑模控制器。应用模糊函数的强大函数逼近能力对不确定参数进行逼近,应用非线性最小二乘法对改进的气动系数模型进行参数辨识,并与滑模变结构控制结合,提高了系统的鲁棒性,并实现了对系统指令的稳定跟踪控制。仿真结果表明,飞行器在加入速度阶跃指令和高度阶跃指令后,系统能够保持稳定性,并对不确定性参数具有很强的鲁棒性。

针对高超声速飞行器巨大的激波阻力,采用数值方法研究了由钝头体、气动杆和侧向喷流构成的组合模型的减阻性能。侧向喷流将弓形激波推离气动杆,组合模型的再附激波明显弱于传统气动杆模型,其阻力系数比气动杆模型低了33.52%,从而验证了本文组合模型优异的减阻效率。进行了组合模型的影响因素分析,随侧向喷流总压比和气动杆的长度的增加,再附激波强度减弱,减阻效率升高,但减阻效率的变化速率逐渐减小。随喷口位置向下游移动,再附激波逐渐增强,减阻效率降低,且减阻效率的变化速率逐渐增加。此外本文还研究了以上参数对流场结构及钝头体压力峰值位置的影响。

目前,高超声速飞行器结构热防护设计中,一般采用CFD软件计算得到流体域气动网格节点上的热流,而采用固体结构网格进行隔热瓦厚度设计。这两组网格界面上的节点数和节点位置相差很大,因此设计中需要进行不同网格之间的热流(载荷)数据传递。另外,在不同的飞行轨道工况下,飞行器各个部位的热流–时间曲线也不相同。为了设计出能满足所有轨道工况要求的隔热瓦,就需要对每个结构网格点拟合出一条能代表最严酷工况的热流–时间包络曲线。文章基于常体积转换法(CVT)进行改进,提高热流插值转换计算效率,提出拟合包络载荷曲线的新方法,大大减少了计算工作量;最后通过算例对提出的方法进行了验证。

在近空间高超声速飞行器飞行时间长、马赫数不断增加的发展趋势下,热防护与轻量化的矛盾越来越突出。基于此,开展了热解气体燃烧对炭化复合材料表面烧蚀影响的相关数值模拟研究,并与风洞试验结果进行了对比。结果表明:热解气体的燃烧可降低炭化复合材料表面的烧蚀厚度,并且随着气动热的增加,热解气体燃烧对材料表面碳的保护作用越来越明显。研究成果可为下一代近空间高超声速飞行器热防护系统的优化设计提供技术支撑。

通过分析与试验表明，技术风险小，性能可靠，近期能够实现的，以煤油为燃料的弹用冲压发动机是一种适宜于飞行Ma=6左右的高超声速导弹的推进装置，采用尾喷管几何喉道可调的方法，有利于提高煤油冲压发动机亚燃工况的性能，满足飞行对低马赫数（Ma=2.5左右）接力与加速状态推力特性的要求，以煤油与氢为燃料的双燃料冲压发动机具有广阔的应用前景。

通过对各种发动机性能的对比分析，认为双模态超燃冲压发动机非常适合作为高超声速飞行器的动力推进装置，国内外的实验研究和数值模拟的结果揭示了如何实现双模态超燃冲压的模态转换。

本文给出了高超声速飞行器表面摩阻和传热系数（斯坦顿数）的计算结果，采用两种方法平面切面法亦即二维边界层近似法和工程方法计算了飞行器高超声速绕流的粘性效应，并对两种方法的计算结果作了仔细的比较，由文可见，对于在稠密大气层内，沿轨道运行头速度恒定的高超声速有翼飞行器，能够用本文所采用的两种方法计算其表面摩阻和热截荷，此二法可成功地应用于绕复杂形状物体的流动参数计算。