常规高超声速风洞的节能方案研究

为了适应高超声速飞行器发展的要求,常规高超声速风洞的建设规模向2m量级发展。但是,随着风洞尺寸的增加,风洞运行所耗费的能源剧增。如何在满足高超声速飞行器试验对风洞尺寸要求的条件下,节省风洞运行时的能量消耗,已成为常规高超声速风洞设计技术发展必须考虑的重要问题。针对这个问题,从常规高超声速风洞气动布局的角度进行了初步探索。首先总结了现有常规高超声速风洞的气动布局;在此基础上,对常规高超声速风洞的能量运行特点,以及不同布局中工作气体余热的处理情况进行了分析;然后结合常规高超声速风洞的运行特点,分析了风洞中可能采用的余热利用技术;最后,提出了一种基于余热利用的常规高超声速风洞布局方案,并对该方案中的关键问题进行了讨论。文中对于该方案的节能情况进行了分析,结果显示,该方案相对于已有的气动布局具有明显的节能效果。     

高超声速马赫反射

通过实验和数值计算模拟了激波（马赫数７．６）绕４０度压缩拐角的流动。实验是在气动中心激波管中完成的，数值模拟采用了层流的Ｎ－Ｓ方程，对无粘项、粘性项和化学源项分别采用了迎风ＴＶＤ格式、中心差分格式和点隐式的方法进行差分离散，计算了平衡与非平衡条件下的马赫反射流动，其数值计算结果与实验结果符合甚好。     

高超声速风洞气动布局设计

在分析国内外高超声速风洞发展现状的基础上,根据南京航空航天大学高超声速风洞(Nanjing Universityof Aeronautics & Astronautics Hypersonic Wind Tunnel,NHW)总体技术指标和要求,对该风洞气动布局设计方案和备部件的气动设计进行了研究.风洞气动布局设计点为马赫数5和8、设计总压为1 Mpa、总温685 K;风洞驱动方式采用高压下吹-真空吸气式方案,运行时间大于10 s、高压气源容积为32 m3、真空容积为650 m3;风洞加热方式采用金属板蓄热式加热器方案;风洞试验马赫数获取方式采用φ0.5 m口径的马赫数5,6,7和8的型面喷管方案.     

高超声速飞行器测热试验研究

在JF 8脉冲风洞中,来流马赫数Ma=8.0,来流单位长度雷诺数Re/L=1.47×107和2.52×107(1/m)两种试验条件下,对高超声速飞行器1/20缩尺模型进行了表面气动热的测量。模型迎角α=0°,10°,15°,20°,25°和30°。试验给出机身对称面、翼前缘、立尾前缘等处的热流率分布。机头部分最大热流率与由Fay Riddell公式计算的驻点热流Q0率接近,翼前缘最大热流率在全机身中最大,约为Q0的2倍,因此翼前缘的热环境是最严酷的。     

高超声速进气道不起动问题的研究进展

由于传统声学振荡模式失效并且进口存在超声速溢流,高超声速进气道的不起动现象显著地有别于常规设计的超声速进气道,并且相比而言其危害性更大、与燃烧室的耦合更紧密、对其控制的实时性要求也更高,为此必须在吸气式高超声速技术的发展过程中受到重视。本文从流态特征、分类与识别方法、预警方法以及控制方法4个方面对高超声速进气道不起动研究领域取得的主要进展进行了回顾,分析了当前尚存在的主要问题,并探讨了未来的发展方向。     

高超声速进气道流场的数值模拟

运用自主开发的数值模拟软件对高超声速进气道复杂内流场计算进行了数值模拟,以验证其对高超声速进气道流动模拟的适用程度。通过某二元高超进气道模型内流场,德国RWTH Aachen所公布的高超进气道模型内流场计算,对该软件描述高超声速进气道内波系反射相交、激波/边界层干扰、高反压下隔离段内激波串等复杂流动现象的能力进行了考核与分析。计算结果表明该软件能够描述高超声速进气道内复杂的流动现象,即使在进气道承受高的燃烧室反压时,仍具有较高精度。但该软件中的紊流模型不能较好地预报边界层分离,特别是对分离区的大小及其诱导激波的强度等的预测存在一定的误差,因此需要进一步的改进和完善。     

高超声速摩擦阻力直接测量实验研究

介绍了在中国航天空气动力技术研究院(CAAA)的高超声速风洞 FD-03和 FD-07中进行的摩擦阻力直接测量实验。实验目的是测量高超声速流场中模型表面的摩擦阻力。研制了应变型两分量和单分量天平,分别应用这2种天平进行了压缩拐角运动实验和乘波体模型变迎角实验。实验中的总压1MPa,总温360K,马赫数5。每个模型各布置2个天平。在压缩拐角实验中,测量了平板区的摩擦阻力,观察到压缩拐角运动对流场的干扰,并测得了压缩拐角运动干扰区的摩擦阻力。在乘波体实验中测量了模型表面摩擦阻力及其与模型迎角的关系。实验的数据中处理引入温度修正。整体实验测量不确定度良好,优于12%。     

高超声速风洞引射器阀门系统的微机控制

本文介绍了高超声速风洞引射器阀门系统采用计算机控制的设计思想和原理框图。在软件和硬件设计过程中采取了一系列措施，成功地在风洞中实现了微机实时控制．     

高超声速飞行器再入自适应容错制导控制一体化设计

针对故障下高超声速飞行器安全再入飞行问题,考虑控制系统存在各种不确定性参数、干扰和力矩故障,进行高超声速飞行器再入自适应容错制导控制一体化(Integrated guidance and control,IGC)设计。首先,针对分离通道的制导与控制(Separate channel integrated guidance and control,SCIGC)模型设计无法同时协调制导和控制系统容错能力的问题,考虑制导环和姿态环之间关系并建立制导控制一体化模型;然后,针对一体化模型设计自适应滑模Backstepping容错控制器,并采用Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型在线逼近由未知参数和加性故障引起的复合干扰项;最后,基于Lyapunov稳定性定理设计参数自适应律在线更新容错控制器,同时引入投影算子防止参数漂移以保证参数处于合理区间,从而完成自适应容错制导控制一体化方案设计。在飞行器故障条件下,通过IGC与SCIGC控制策略的仿真对比,验证了自适应容错IGC控制策略的有效性和优越性。     

HIFiRE项目中气动/推进一体化高超声速飞行器设计研究

美澳通过HIFiRE项目在高超声速飞行器的气动、推进和控制等领域进行了深入探索,并对一体化设计有动力飞行器的高速性能进行了评估。以单项验证、步步推进的系列飞行试验方式,对乘波体布局以及不同动力方式开展原理研究,结合飞行试验对设计状态进行验证,取得一系列有价值的飞行数据和阶段性成果。通过梳理气动/推进一体化过程中相关飞行试验,提炼出总体设计中的关键技术和试验结论,并对有动力飞行器的发展趋势作了分析。研究显示发生转捩的单位雷诺数范围在3×106~4×106之间,适应小迎角高升力特点的乘波体与超燃冲压发动机的组合成为优选方案,所取得的成果为带超燃冲压发动机高速飞行器总体方案设计提供了一定的参考。     

高超声速飞行器自抗扰分数阶PID控制器设计(英文)

自抗扰控制器利用跟踪微分器可解决超调量及快速性之间的矛盾,分数阶PID控制器在提高控制品质的同时扩大了被控系统参数的稳定域。结合自抗扰技术及分数阶PID控制器设计了自抗扰分数阶PID控制器,并应用于高超声速飞行器再入姿态控制。仿真结果表明,自抗扰分数阶PID控制器对于高超声速飞行器非线性模型及强外干扰的影响下具有很好的控制效果,并且有较大的稳定域,即针对被控系统参数变化具有更强的鲁棒性。     

球头钝锥高超声速动稳定性的实验研究

本文叙述在脉冲型高超声速风洞中，用模型自由飞方法测定８°球头钝锥的高超声速静、动稳定特性。采用同步高速摄影方法记录了２０ｍｓ准定常试验时间中模型的角运动并用参数微分法进行气动参数辨识。实验结果表明对质心位置Ｘｃｇ≤０．６０的模型在Ｍ∞＝７．８和Ｍ∞＝９．９两种条件下皆是静、动稳定的，稳定性随质心的后移而下降，在实验范围内马赫数对稳定性没有明显影响，同时模型的底部是否封闭也没有明显影响。     

高超声速气动试验的新进展

本文报导了1992年7月在美国纳希维尔召开的 AIAA 第17届航空航天地面试验会议的概况。简要地介绍了讨论航空航天地面试验面临的技术挑战,CFD 和地面试验的相互作用,美国气动力学与气动热力学研究的未来等三个大会报告的内容。介绍了在会议报告中叙述的对高超声速气动试验的新要求和自由飞弹道靶、 脉冲风洞、稀薄气体设备、电弧加热器的新进展。最后,对我国高超声速气动试验的发展提出了建议。     

空天飞机气动力特性的工程预测方法

本文首先叙述了在空天飞机概念研究和初步设计阶段进行气动力特性工程预测的必要性,然后介绍了美国超声速和高超声速任意物体程序(S/HABP)中的计算无粘压力的方法,重点介绍了选择方法的原则。在这基础上,介绍了一种在超声速和高超声速均一致适用的方法,它是采用 Dahlem-Buck 经验公式,并对修正牛顿公式中的修正因子 K,绐出了对飞行器各部分各不相同的计算公式。最后对今后的工作提出了建议。     

低空空域航空器飞行安全分析(英文)

我国低空空域即将开放,通用航空飞行数量将大幅度提高,该空域内航空器能否安全飞行以及确定安全飞行的条件是急需解决的问题.本文在此背景下,基于国际民航组织标准和我国民航局规定,采用看见避让(See and Avoid)原则,在飞行规则、能见度要求、反应时间、航空器速度以及盘旋坡度角或航空器爬升角度等约束条件下,根据航空器动力学原理,建立了同高度对头飞行冲突和交叉飞行冲突的冲突避让轨迹数学模型.定量角度分析低空空域航空器飞行以满足安全间隔的条件,最后采用Matlab软件进行分析.结果表明,低空空域航空器同高度对头相遇安全避让需满足一定的飞行条件,而同高度交叉相遇飞行的航空器能够安全解脱冲突.     

着舰导引中的H∞飞行/推力综合控制设计

以提高低动压着舰时动态跟踪及抑制舰尾气流扰动的性能为期望 ,基于线性矩阵不等式 (LMI)的 H∞ 控制理论 ,提出了保持由地速构成的迎角 αd 恒定的 H∞ 飞行 /推力综合控制增广模型结构。使飞机在接近舰尾处于雷达导引系统关闭的关键时刻 ,该系统仍有姿态保持及抑制气流扰动的优良性能 ,从而改变了传统设计需由导引系统纠正气流扰动而引起的轨迹偏离。基于工程应用 ,文中提出了 H∞ 控制器的降阶方法 ,进行了离散化实时仿真验证。仿真表明 ,本文开发的系统能够很好地满足设计要求     

民航机综合飞行性能管理的能量状态方法(英文)

用质点能量状态近似法来研究飞机综合飞行性能管理技求.首先介绍了飞行性能优化的原理和算法,然后讨论了综合飞行轨迹/速度控制系统——总能量控制系统(TECS),并分析与设计了最优轨迹制导算法,它将性能优化结果直接与总能量控制系统联系在一起,形成综合飞 行性能管理系统.对某型运输机模型的设计与仿真结果证明了该系统所获得的满意性能。     

高超声速气流中平板上粘滞激波层的数值研究(英文)

本文描述绕锐前缘平板高超声速流动的数值模拟结果。对完全粘滞激波层的数值模拟进行了逐次校验。计算出的密度分布型式、激波倾斜和斯坦顿数与其他作者的理论和实验数据进行了比较。得到了近似传热系数计算结果的经验相关式。