可变形翼导弹动态气动特性的仿真研究

导弹发射后,飞行高度从近地面到高空域,气压、温度变化巨大,同时飞行马赫数也从低速到超声速、高超声速。在不同飞行阶段稳定性能和升阻比需求不同,对导弹气动性能要求不同。固定外形导弹的气动性能难以适用于不同的飞行任务,而可变形翼导弹通过改变翼面的形状,实现外形上的变化,从而适应不同的作战环境。通过分析可变形收缩弹翼不同收缩速度(快速、中速、慢速3种状态)的气动性能,研究了导弹气动性能随弹翼收缩速度变化的规律,揭示了升力系数和阻力系数随弹翼的收缩速率的线性变化特征。同时还分析了变形前后导弹附近流场的压强、速度和温度的变化,以及这些物理量对导弹的影响。结果表明,伸缩翼改变了翼面面积和展弦比,弹翼伸长时具有高升阻力,适合亚声速巡航,弹翼收缩可以减小高马赫数飞行时阻力,提高导弹射程。     

超燃冲压动力高超声速飞行器巡航弹道分析

在确定的高超声速飞行器几何约束下,建立飞行器气动特性和动力特性随飞行状态变化的耦合计算模型。以最大航程为目标,对超燃冲压动力高超声速飞行器定高和跳跃两种巡航方式的飞行特性进行研究。研究表明:在相同初始和最终状态下,与定高巡航相比,跳跃式巡航能够增加18.5%的航程和11.5%的飞行时间。定高巡航中飞行器很快由其初始状态过渡到升力-重力和推力-阻力平衡的近似等速飞行状态,而在跳跃式巡航中,飞行器是通过改变飞行高度来动态维持升力-重力平衡的,使其飞行高度明显高于定高巡航。较高的飞行高度使得跳跃巡航所受阻力较小,从而需用推力较小,燃料消耗也较慢,使飞行器能有更长的航程和飞行时间。     

吸气式高超声速飞行器爬升段关键任务点的鲁棒优化

针对吸气式高超声速飞行器爬升段飞行任务,考虑飞行器气动/推进特性及参数不确定性问题,采用鲁棒优化思路,结合巡航性能指标,优选了飞行器爬升段的关键任务点。首先,由能量状态法结合发动机工作约束,确定了飞行器的爬升起始任务点;其次,依据飞行器巡航性能分析方法,提出了兼顾气动/推进效率的性能指标,优化得到了高超声速飞行器爬升末端任务点;最后考虑飞行器质心位置的不确定性,采用鲁棒优化方法确定了爬升段末端的飞行任务窗口。仿真结果表明,设计的优选流程快速可行,飞行任务窗口能同时满足飞行器的巡航飞行性能要求及不确定性最坏情况的约束,具有较强的鲁棒性。     

超声速巡航飞行器纵向机动弹道设计技术研究

以吸气式冲压发动机为动力的超声速巡航飞行器,其全程在大气层内飞行,飞行弹道易受到发动机性能、风干扰以及气动等偏差因素的影响。而其弹道采用爬升、巡航、下压和超低空巡航飞行相结合的方式,弹道跨度大。本文对其纵向机动弹道进行了研究,提出了用样条函数作为高度调节规律,采用过载控制方法,实现飞行器纵向通道的机动飞行并平滑过渡。最后以典型工况为例进行数学仿真,结果表明该方法能很好的满足超声速巡航飞行器高度控制任务需求,并且爬升/下压时间短、稳定性好。     

滑跃式高超音速巡航飞行器设计初步研究

在分析国外滑跃式高超音速巡航飞行器的发展现状基础上,提出了高超音速巡航飞行器的概念设计,对滑跃式高超音速巡航飞行器总体方案提出了设想。选择乘波构型建立了滑跃式高超音速巡航飞行器的气动布局,采用Euler方程数值解法Dahlem-Buck公式和切楔法对气动布局的亚、跨、超、高超音速气动特性进行了计算分析。由结果可见,建立的气动布局可满足总体方案设想中飞行任务要求。对滑跃式高超音速巡航飞行器的动力技术进行了初步研究,分析了采用火箭基组合循环发动机(RBCC)方案所需的燃料消耗。由初步分析计算结果可见,对于Ma≈10的滑跃式高超音速巡航飞行器,采用RBCC作为推进系统,可满足总体方案的技术要求。     

大型翼伞的三维气动性能分析

随着回收物质量的增加和回收物可控定点回收要求的提出,大型翼伞的设计研究迫在眉睫。文章采用有限体积法求解K-epsilon二方程湍流模型下的Navier-Stokes(N-S)方程,对某大型翼伞进行三维定常数值模拟,研究考虑伞衣鼓包下翼伞的气动性能,同时对翼伞单侧后缘下拉情况下(翼伞转弯过程)的气动性能进行初步分析。结果表明,翼伞的升力系数随迎角的增大而增加,达到失速迎角后缓慢降低。翼伞阻力系数在负迎角时随迎角增大而缓慢降低,而在正迎角时随迎角增大而增加。翼伞升阻比开始时随迎角增大而增加,在迎角等于8°时达到最大值后随迎角增大而逐渐降低。同时,单侧后缘下拉翼伞相比普通翼伞升力与阻力系数均有所增加,但其最大升阻比却有所减小。     

乘波飞行器气动力、热特性的数值模拟研究

采用多块分区网格以及并行计算技术对给定乘波构形的高超声速飞行器进行了数值模 拟,分析了飞行器前缘小半径钝化对飞行器气动性能的影响,计算了前缘钝化后飞行器表面 的热流分布状况。结果表明,前缘钝化对飞行器的升力影响不大,对阻力和升阻比的影响较 大。对于曲率半径为1cm的钝化前缘,与原尖前缘飞行器相比,其升力降低了0.78％,阻 力增加6.96％,升阻比下降7.21％。前缘钝化后,乘波飞行器仍具有较好的气动性能, 飞行器前机身可为发动机提供比较均匀的气流,飞行器整体仍基本保持了乘波的状态,热流 主要集中在飞行器前缘上。为了有效防热,需要采用主动式冷却技术。     

燃气作动筒弹翼展开负载模拟装置研究

以某型号折叠翼的展开为背景,设计弹翼展开负载模拟装置,模拟展开时弹翼的升力负载和阻力负载。通过对此套装置的测试、验证,证明该模拟方法简单、有效,能够真实地模拟不同飞行攻角条件下的气动载荷。在燃气作动筒的设计过程中,能有效地缩短燃气作动筒的设计周期并降低研制成本。     

基于预处理方法的冲压式翼伞非定常气动特性数值研究

开展绕冲压式翼伞内外一体化流场的二维、不可压、非定常数值模拟。采用预处理的双时间步长方法，研究了冲压式翼伞在有攻角飞行时阻力、升力的瞬态特性和非定常旋涡脱落对翼伞气动力的影响问题。气动力特性的计算值与实验结果吻合较好，并观察到升力和阻力在大攻角飞行中的周期性变化规律。同时流场的瞬态特性证实上翼面旋涡的发展与运动是导致翼伞气动力脉动的主要原因。计算发现在前缘切口的冲压作用下，翼伞内部的压力较高，气流几乎保持滞止，这是维持翼伞充气外形的主要原因。     

基于预处理方法的冲压式翼伞非定常气动特性数值研究

开展绕冲压式翼伞内外一体化流场的二维、不可压、非定常数值模拟。采用预处理的双时间步长方法 ,研究了冲压式翼伞在有攻角飞行时阻力、升力的瞬态特性和非定常旋涡脱落对翼伞气动力的影响问题。气动力特性的计算值与实验结果吻合较好 ,并观察到升力和阻力在大攻角飞行中的周期性变化规律。同时流场的瞬态特性证实上翼面旋涡的发展与运动是导致翼伞气动力脉动的主要原因。计算发现在前缘切口的冲压作用下 ,翼伞内部的压力较高 ,气流几乎保持滞止 ,这是维持翼伞充气外形的主要原因。     

高超声速飞行器气动/隐身优化设计方法

针对高超声速飞行器气动布局设计中气动设计与隐身设计矛盾的问题,采用高精度气动和隐身计算方法,建立了基于直接全局优化算法、二次曲线参数化方法和Kriging代理模型的多学科优化设计平台,并对典型高超声速布局升力体外形开展气动/隐身一体化优化设计研究。结果表明：升力体布局典型状态下升阻比由3.13提高到3.69,考虑垂直极化和水平极化状态,俯仰±30°的雷达散热截面（RCS）均值下降60%以上,表明该平台具有良好的寻优能力,风洞试验结果验证了优化算法的可行性;高超声速飞行器的机身和翼/舵等部件具有显著的绕射特性,物理光学法等高频算法不能准确捕捉前后缘绕射,应当采用矩量法计算其RCS特性;高超声速飞行器的垂直极化和水平极化的RCS特性差异巨大,在设计中应当予以考虑。     

化学非平衡效应对返回舱再入气动力特性的影响

高空高马赫数条件下,化学非平衡效应将对飞行器气动特性产生影响,影响飞行器气动布局优化和飞行弹道设计。文章通过三维化学非平衡流动求解程序,针对再入返回器开展数值研究与机理分析,通过对比完全气体模型和化学非平衡气体模型获得的气动力参数,揭示化学非平衡效应对流场结构和气动力特性的影响和规律。结果表明,对Apollo的气动力计算结果验证了模型和计算方法;化学非平衡效应影响下,激波层内化学反应消耗大量能量,致使激波脱体距离减小,气体压缩性增强;典型状态高度为70 km,Ma=30条件下,化学非平衡效应导致返回器升力系数增大约6%、阻力系数增大约1.3%～3.3%、升阻比增大3%左右、俯仰力矩系数增大,从而使配平攻角减小约2.5＆#176;;通过机理分析,发现化学非平衡效应影响下表面压力系数发生变化的原因是飞行器周围激波形状及驻点压力改变,表现为气体沿流线经激波层、压缩区和膨胀区的历程变化;对于钝体形状的返回器,迎风面前体压力系数增加和后体压力系数降低,造成轴向力和法向力系数增大。     

临近空间长航时太阳能飞行器动导数特性及机理

为解决现有计算方法无法用于动导数机理分析的问题,通过理论推导得到了一组只需要较少总体气动参数的动导数计算公式。根据此计算公式进行的机理分析表明,临近空间长航时太阳能飞行器的大展弦比气动布局、高巡航升力系数对横航向动导数有直接影响。推导的动导数计算公式可用作此类飞行器动导数计算和分析的简便工具。     

一种高速可变形飞行器智能变形决策方法

针对一类高速可变形飞行器(HMFV)的变形决策问题,提出一种基于深度确定性策略算法(DDPG)下考虑综合性能指标最优的智能变形决策方法。首先,以一类后掠角可连续变化的高速飞行器为研究对象,给出变形飞行器动力学模型,分析模型特性及变形量与关键气动参数之间的定性关系。其次,基于关键气动数据特征分析,考虑包含气动性能、控制误差在内的综合性能指标,设计一种基于DDPG算法的智能变形决策方案。再者,针对带有标称控制器的HMFV进行变形决策训练,实时获得滑翔过程中不同飞行状态下的最优构型。最后,仿真结果表明所设计的智能变形决策算法收敛效果好,且具备较好的泛化性能。相比于固定外形,可通过变形使得在不同状态下的升阻比保持最优,且与考虑单一决策指标相比,考虑综合指标最优的变形决策可进一步缩小姿态动态跟踪误差。     

超高空系缆气球的空气动力特性试验研究

介绍自然形状和流线形状两种高空系缆气球的空气动力特性。着重探讨攻角和雷诺数对升力、阻力和俯爷力矩的影响。指出：合理、良好的气动外形（具备可靠的稳定性和最小阻力），对提高抗风能力、增加留空时间都有重要意义。     

一种低RCS无人飞行器外形的气动特性实验研究

根据气动布局的基本原理,结合低RCS要求,设计了一种鸭式布局、带边条的翼身融合无人飞行器外形,实验结果表明,该外形不仅具有低RCS特征,而且具有良好的气动特性,升阻比达到8左右。     

基于MATLAB的现代优化算法在飞行器气动外形设计中的应用

本文发展了MATLAB语言环境下的现代优化算法，包括遗传算法、模拟退火算法和基于分支联赛选择的多目标遗传算法，并用来求解高超声速飞行器气动外形参数优化问题。所研究的气动外形为带控制舵飞行器和可变弯体飞行器。在MATLAB环境下，求解了最大化升阻比的单目标优化问题和具体有两个冲突目标（最小化铰链力矩并且最大化平均操纵效率）的多目标优化问题。实际算例表明，在快速有效的气动力分析方法辅助之下，本文所发展的MATLAB现代优化算法可以在飞行器初始设计中发挥作用。本文所提供的现代优化算法是对MATLAB优化工具箱的一个有益的扩展。     

一种临近空间高超声速飞行器翼舵干扰研究

在临近空间区域内飞行的高超声速飞行器对舵面操纵特性提出了严苛的要求,在高空高速条件下主翼对舵效有严重影响。通过风洞试验对带全动舵升力体的高超声速升阻特性进行了研究,发现由于主翼的遮挡效应,负舵偏比同舵偏值的正舵偏对升力体升阻特性影响更明显。数值模拟结果显示在舵偏角从-20°～20°变化过程中,由于主翼与舵面之间气流干扰造成舵面上下压差变化复杂,-12°～2°舵偏产生抬头铰链力矩,其余正负舵偏均产生低头铰链力矩,主翼后缘上表面的分离线随攻角增加逐渐前移,迎风面高压气流通过翼舵之间缝隙向上发展,使得舵上表面再附线后移,翼舵之间均有明显的横向流动。     

滚转状态下卷弧翼火箭弹气动特性的数值模拟

采用滑移网格技术对卷弧翼火箭弹的滚转特性进行数值模拟,并对模拟所得的马格努斯力与风洞实验数据进行分析比较。误差分析证明了滑移网格技术模拟火箭弹滚转特性的准确性;模拟结果与风洞实验数据对比表明,采用细长体外形效果显著,升阻力系数受滚转特性影响较小,因而在本次模拟的火箭弹滚速下,可不考虑滚转来模拟火箭弹的升力系数和阻力系数,得出火箭弹滚转运动对气动参数的影响。