TSTO级间分离气动特性数值仿真分析

两级入轨（TSTO）重复使用飞行器并联级间分离是一二级飞行器设计必须考虑的关键因素。采用国家数值风洞工程通用CFD软件NNW-FlowStar，基于各向异性非结构混合网格及重叠网格技术，研究了TSTO在侧滑角下的并联级间分离过程。软件通过自主改进的Roe熵修正方法、节点高斯梯度算法实现高超声速流场的精细模拟，运用“物面相交”准则实现多套网格间的并行挖洞。采用双时间步求解非定常分离过程，内迭代计算采用LU-SGS方法。文中首先采用WPFS投放标模验证了软件在常规分离投放方面的数值模拟精度；然后模拟获得TSTO组合体定常气动特性，分析了不同攻角下一二级的气动特性以及可能的安全分离状态；最后数值模拟了TSTO在负攻角、正侧滑角下的并联级间分离过程，与对应的CTS试验结果比较，两级质心位移的计算值和实验值随时间变化具有很好的一致性，偏航角及俯仰角在变化规律和量值上比较吻合，表明软件具备升力体并联级间分离类问题的数值模拟能力。     

一种并联两级入轨飞行器纵向分离方案的数值研究

两级入轨（TSTO）飞行器或将成为下一代天地运输往返系统，其具有低成本、高效率和多用途等优点，但是两级分离成功与否将直接决定入轨任务的成败。目前的并联式TSTO飞行器多采用横向级间分离，该方法会在两级间产生复杂强气动干扰而直接增加了分离风险，所以探索一种可以避免或减弱两级强气动干扰的新分离方式是十分必要的。提出并着重分析了一种并联式TSTO纵向级间分离（LSS）方案，即轨道级在助推级背面沿着飞行方向分离，对其进行了动态分离过程的数值研究。针对新分离方案，设计了一种由宽速域乘波体和可重复使用空天飞机分别作为助推级和轨道级的TSTO组合飞行器，在高超声速条件下，采用重叠动网格技术分析了不同来流攻角（AOA）下的纵向分离流动机理、非定常壁面压力分布及气动特性变化规律。结果表明：TSTO纵向分离过程中仅存在VI型激波干扰和激波汇聚等简单的弱干扰类型，两级间无明显的激波反射或激波边界层干扰；非定常压力分布特性表明助推级前缘激波是轨道级受力变化的主要影响因素；纵向分离过程中，助推级受到的气动干扰力载荷小于轨道级。此外，不同来流攻角下，两级气动干扰流场结构具有相似性，并给出了实现安全纵向分离的攻角条...     

串联布局飞行器级间冷分离气动特性研究

针对串联布局飞行器级间采用冷分离模式时的气动问题进行了风洞试验,研究典型亚声速、超声速下级间夹角为零时,两级气动特性随级间距离以及迎角的变化规律。结果表明,在所研究的级间距离范围内,两级相互干扰未被隔绝,两级的轴向力系数变化规律与马赫数、级间距离和迎角有关;二级法向力系数犆犖基本不受级间距离影响,而在迎角较大的情况下一级犆犖会随级间距离的增大而增大。     

一种用于TSTO级间分离CFD计算的网格动态优化技术

两级入轨空天运输系统具有难度较低和经济性好的优点，级间分离是该运输系统设计的一项关键技术。相比前后串联级间分离，两级入轨上下两级间存在严重的激波相互干扰，直接影响分离物体的气动力矩。为了更好地模拟分离过程中两级之间的运动激波多次反射问题，本文结合非结构混合网格分布优化技术和压力比值激波识别技术，建立了用于级间分离运动过程的并行网格动态优化技术。基于计算流体力学软件NNW-FlowStar，完成了两级入轨运输系统并联分离过程的数值模拟。结果表明，采用网格动态优化技术，可实现级间复杂激波的精细捕捉，更精准地获得了强干扰下飞行器的气动特性，显著提高了并联分离过程中运动轨迹和姿态的预测精度。     

高超声速多体干扰与分离试验

进行了高超声速飞行器多体系统分离过程中存在的气动力干扰试验研究.试验模型是某构型的可重复使用航天飞行器,由助推器以及再入体两部分组成.研究在FL-31风洞中进行,试验马赫数为Ma=6.97.试验结果表明:分离过程中助推器和再入体之间存在复杂的激波干扰现象,多体系统分离过程中的气动干扰本质上是激波干扰引发的.      

飞发一体化算力体系及算力参数敏感性

飞行器/发动机一体化是制约吸气式高超声速飞行器的核心和关键技术,本文针对高超声速飞发一体化构型开展了算力体系划分及算力参数敏感性研究。通过将一体化飞行器不同部件划分至气动和推进系统,研究了算力体系划分对气动/推进性能指标的影响,结果表明对于飞发一体化构型,在不同算力体系下表征的飞行器气动/推进性能可能存在较大差异,横向比较飞行器气动/推进性能必须在明确算力体系条件下进行。采用正交试验设计+方差分析的方法分析了飞行器算力对空域、速域、飞行姿态、气动热效应、真实气体效应5个因素的敏感性,结果表明壁面温度是影响飞行器轴向力计算的敏感参数,马赫数和攻角几乎影响所有气动指标。在研究范围内,雷诺数和气体比热比是飞行器气动性能的不敏感参数。     

攻角振荡对高超声速进气道性能影响数值模拟

应用重叠网格计算方法对高超声速飞行器出现攻角振荡时的发动机进气道的流场特性进行了数值模拟,给出了频率为10,20,40 Hz以及3°和5°振幅对进气道气动力、总压恢复系数和流量系数的影响,比较了飞行器在Ma∞=4,H=17 km爬升阶段和Ma∞=6,H=28 km巡航阶段攻角振荡对进气道性能参数的影响。计算结果表明,攻角的动态变化会造成进气道气动力、总压恢复系数和流量系数出现较大波动。     

类X-37B航天器气动力天地相关性数值模拟

随着高性能计算机的发展,CFD已成为飞行器设计和流场分析不可缺少的重要手段,风洞试验与飞行数据的天地相关性问题正是其中一项重要的研究内容,X-37B作为继航天飞机之后美国发展的最成功的可跨大气层在轨飞行器,从气动特性角度分析其大气层内飞行走廊的状态对中国类似航天器的研制具有重要的借鉴意义。首先,对计算类X-37B布局飞行器的网格无关性及网格修正开展了研究,在此基础上提出的网格规模影响修正方法对该类飞行器的计算结果修正经过验证是可信的;然后,分别对比分析了雷诺数的影响和试验状态支架干扰的影响,完成了基于数值模拟的高空飞行与风洞试验气动特性差异分析。结果表明,网格规模主要对亚声速来流计算状态压差产生的轴向力影响较大,对法向力系数、俯仰力矩系数和纵向压心影响较小;雷诺数对该类飞行器气动特性特别是轴向力系数、阻力系数和升阻比有较大的影响,但随着马赫数的增加,影响特性开始变的非常复杂;由于风洞试验状态支杆存在,亚跨声速来流条件对该类飞行器的底阻影响很大,需要采取一定的方法和手段对支杆影响进行修正。     

稀薄过渡流区横向喷流干扰效应数值模拟研究

为了准确预测稀薄过渡流区横向喷流与稀薄大气的干扰流动特征,本文在建立直角与表面非结构网格混合结构的DSMC数值算法以及碰撞网格自适应算法基础上,提出基于MPI的静态随机负载平衡技术,构建了DSMC并行计算代码。计算的不同压力比条件下三维平板模型横向喷流与稀薄大气干扰的分离长度与低密度风洞试验有较好的一致性,验证了本文算法的可靠性。开展了细长钝双锥外形高超声速稀薄来流与超声速/高超声速横向喷流干扰效应的研究,计算分析了不同飞行高度、不同飞行速度、不同飞行攻角、不同喷流推力下复杂流场结构和对气动力特性的影响规律。考察了RCS喷管出口参数不同(均匀/非均匀)对喷口附近分离涡和分离长度的影响。     

跨声速开式空腔模型分离特性研究

采用非定常RANS方程求解器、非结构动网格技术及六自由度方程耦合的数值仿真技术,对跨声速条件下的开式空腔模型分离特性进行仿真研究,对比分析了高度、弹射力组合以及斜板措施对模型分离轨迹及姿态的影响。仿真结果表明,较高的飞行高度有利于改善模型的分离特性;弹射力对模型姿态影响较大,当弹射力组合提供一定的低头力矩时,模型分离下落较平稳;斜板措施可有效地改善模型下落姿态角,更利于安全分离。     

高超声速飞行器自适应减阻盘动态减阻机理

针对高超声速飞行器在动态机动过程中的减阻问题，基于非定常流动/运动耦合计算方法及动态混合网格生成技术，对自适应减阻盘在高超声速飞行器机动过程中的动态减阻效果开展研究，并分析飞行器阻力特性随不同参数的变化规律，为高超声速飞行器设计及优化提供一定的参考。同时，通过与固定式减阻盘对比，探讨2种方法在减阻机理上的差异。研究发现，在高超声速飞行器机动过程中，自适应减阻盘始终对准来流，有助于维持钝体前方回流区结构，有攻角状态下依然具有流场重构作用。相对于固定式减阻盘，在强迫俯仰振荡过程中，采用自适应方法后，80%以上的时间中减阻效果提升明显；且随着俯仰角增大，自适应方法的优势愈发显著。     

滑流区中三角翼大攻角气动力特性的实验研究

一种以后掠75.7°薄三角翼为主要特征的典型航空航天飞行器模型,在激波管风洞马赫数为11.9和15.4两种条件下,攻角范围20°～50°,用模型自由飞方法测量了它们的轴向力系数、法向力系数和俯仰力矩特性。相应的实验雷诺数分别为3.19×10~4和1.64×10~4,这两种流动条件均属于稀薄气流的滑流区。 实验结果表明在M_∞=11.9和15.4两种条件下,两种剖面外形模型的升力系数和阻力系数均随攻角加大而递增,其变化规律有很好的一致性,且对马赫数并不敏感;但从体轴系来看,不仅两种模型的轴向力系数不同,而且因粘性干扰的缘故,同一模型A在M_∞=15.4时比M_∞=11.9时有相对较大的轴向力系数,但两者随攻角变化的规律一致,且当α>45°时接近牛顿值。此外,实验表明两种模型的压心系数随攻角均没有明显变化。     

高超声速飞行器前缘主动冷却影响因素

主动冷却技术是目前高超声速飞行器发展的重点方向,对不同的主动冷却方式进行组合可实现优势互补,能为承受热流密度极高的飞行器前缘提供有效的热防护。以高超声速飞行器前缘气膜-发散组合冷却结构为研究对象,建立CFD数值计算模型,研究来流攻角为0°、4°和12°时对组合冷却效果的影响,对不同前缘上楔角构型的组合冷却效果进行分析。结果表明,攻角的出现使前缘模型上下半段的温差增大,上下壁面的温差最高可达639.2 K,攻角的改变通过影响外壁面压力的分布来影响结构中冷却剂的流量分配。增大前缘上楔角会使冷却剂向多孔介质下游输运的距离减小,外壁面温度与上楔角之间呈现近似线性增长的趋势。     

高超声速风洞多体干扰与分离试验技术

在FL-31风洞中进行了某高超声速飞行器的多体干扰与分离试验技术研究,成功建立了多体干扰与分离试验技术。试验模型是某典型构型的可重复使用航天飞行器,由助推器以及再入体两部分组成。利用风洞上下投放机构实现两模型间的相对运动,采用两台天平对模型的气动力进行测量,同时利用纹影仪记录模型分离过程中的激波干扰情况。结果表明：试验系统设计合理,能准确模拟物体间分离过程,并能精确测量多体干扰的气动力特性,激波干扰清晰可见。     

飞行器气动/飞行/控制一体化耦合模拟技术

基于非结构重叠网格技术和全局亚迭方法,发展了一种气动、飞行和控制一体化耦合的非定常求解策略,用于飞行器闭环控制的数值虚拟飞行研究。高超声速飞行器按照设计控制律,采用升降舵偏转进行连续变攻角操纵和静不稳定布局稳定控制;数值虚拟飞行逼真显现了上述非定常流动、运动与控制的时序演化过程。数值虚拟飞行与基于气动数据库插值的飞行仿真比较,控制过程和反馈效果十分吻合。     

FL-23风洞级间分离与网格测力试验系统

近年来,随着飞行器研制不断高速化发展,一些型号要求在超声速条件下实现级间分离与网格测力试验。为了实现超声速飞行器级间分离与网格测力风洞试验,利用FL-23跨超声速风洞独有的投放机构,通过对上、下支撑及其控制系统进行改造升级,实现了X、Y两个方向的复合运动,建立了马赫数0.3～4.0的级间分离系统。经过多期型号试验验证,该系统对模型定位控制精度达到要求,满足飞行器高马赫数下开展级间分离与网格测力风洞试验需求。     

串联飞行器级间分离风洞自由飞试验

针对超声速串联布局飞行器在稠密大气层内主级与助推级级间分离的运动特性问题,采用运动自由度不受约束的风洞自由飞试验方法,很好地复现助推级和主级分离的动态运动过程,且创新地模拟助推级发动机带有残余推力对主级与助推级分离特性的影响规律。在试验马赫数Ma=2.5,侧滑角β=0°条件下,通过改变初始分离迎角α(0°、5°),研究了分离迎角α对主级与助推级分离后级间相对位置的影响规律。结果表明:初始分离迎角α是影响主级与助推级分离相对位置的关键参数,当初始分离迎角α=5°时,主级与助推级分离后级间相对位置变化较α=0°迅速,适当增加初始分离迎角α更有利于飞行器的级间分离;助推级有/无发动机残余推力对主级与助推级分离后的级间相对位置影响较小,这表明超声速串联布局飞行器在大气层内级间分离的运动特性由主级与助推级所受的气动力主导。     

基于PSP/TSP测量的TSTO标模级间分离气动干扰特性试验分析

两级入轨空天飞行器（TSTO）并联级间分离存在复杂的气动干扰现象，理解气动干扰特性对分离安全性设计和评估具有重要意义。本文在Φ0.5 m高超声速风洞中开展了基于压敏漆（PSP）与温敏漆（TSP）试验技术的级间气动干扰特性研究，解决了有遮挡条件下的压敏漆与温敏漆测量难题，获得了马赫数6条件下不同级间距的高分辨率大面积连续压力和温度分布特性。研究表明：轨道级头部激波直接入射至助推级壁面，与边界层相互干扰，诱导流动分离；入射激波与分离激波在级间区域会产生多次反射，形成三维复杂波系结构；随着分离距离增大，级间流场呈现从缝隙流到小通道流再到大通道流的流动特征，级间高压高温干扰区则呈现从前往后移动且峰值减弱的特点，这也是改变两级气动力/力矩特性、影响分离过程中两级位姿变化的主要因素。     

高超声速激波/边界层干扰流动数值模拟研究

在基于Roe格式的全Navier-Stokes方程计算流体力学(CFD)代码中,发展了一种局部熵修正方法,克服了传统熵修正方法在边界层流动模拟中耗散过大的缺点,可用于更加准确的模拟激波/边界层干扰的复杂高超声速流动。对典型高超声速双锥边界层分离与激波干扰的复杂流动进行了模拟,研究了网格密度和熵修正方法耗散性对计算结果的影响。研究表明:高超声速双锥边界层分离与激波干扰流动的数值模拟结果对网格具有很强的敏感性,过稀的网格将产生严重的分离流动预测偏差;低耗散性的局部熵修正方法能更加准确地模拟复杂的高超声速激波与边界层分离流动干扰现象。     

侧向喷流与飞行器三维绕流干扰流场特性的DSMC/EPSM数值模拟

采用DSMC/EPSM混合算法,研究了带有侧向喷流的复杂外形高超声速飞行器稀薄区和连续区三维混合流场的干扰特性。采用一种飞行器物面网格与DSMC计算域网格分别标识的方法,通过判断模拟分子与表面碰撞来完成飞行器物面网格与DSMC计算域网格间的信息传递和信息存贮,对于复杂外形飞行器的精确描述的物面网格不需做进一步处理,直接应用于不依赖于飞行器外形的DSMC计算的通用子程序中。引入碰撞数做为混合参数,对流动区域进行划分,并通过网格中碰撞数的统计和处理,有效地将DSMC和EPSM方法结合在一起。仿真计算了三维复杂外形飞行器带喷流流场压力、热流分布量,飞行器表面气动力、气动力矩和气动热参数,对喷流与高超声速空气绕流相互作用以及它们与物面之间的相互扰动进行了分析,证明了采用的方案和技术的有效性。