空天一体化装备发展分析

2010年2月11日,美国导弹防御局机载激光武器(ABL)成功进行了两次弹道导弹拦截试验;4月22日,美国国防高级研究项目局的"猎鹰"高超声速试验飞行器HTV-2从加州发射成功,在大气层内以20马赫的速度实现了可控飞行;同一天,美国空军在佛罗里达州成功发射了X-37B试验空间飞行器;5月25日,第一架以超燃冲压发动机为动力的X-51A"乘波者"高超声速验证飞行器顺利首飞。而据俄新社报道,俄也正计划研制一种多用途空天战机(MAKS),该战机能把重达18吨的有效载荷和燃料箱送入轨道,比美国的X-37B能力更强。另外,俄还正在研制高超音速巡航导弹和高超音速战术导弹,据称,俄高超音速飞行器X-15的飞行速度达到6.7马赫,飞行高度超过5万米。这一系列关于空天飞行器的最新消息,可以视作当前空天武器装备迅猛发展的一个缩影。     

高超声速飞行器常规螺线管磁控热防护系统可行性分析

针对高超声速飞行器鼻锥热防护,构造常规圆柱螺线管磁控热防护系统的物理模型。采用低磁雷诺数磁流体数学模型,对外加磁场作用下的高超声速鼻锥流场进行数值模拟;分析常规螺线管磁控热防护系统的有效磁感应强度范围;给出满足导线电流密度工作极限的螺线管几何参数的要求。研究表明,由于磁控"饱和现象"及导线电流密度的限制,系统可行工作范围为驻点磁感应强度B0∈[0.05 T,0.20 T];B0=0.20 T时,驻点热流密度和总热流分别降低了31.3%和56.6%,热防护效果良好;但磁控系统导线质量仍然较重,应采用可缩短与驻点间距离的异形螺旋管或超导磁铁等替代方法来满足工程防热需求。     

热防护系统耦合分析方法与应用

热防护系统是保证飞行器在气动加热环境下不发生过热甚至烧毁的关键系统。随着飞行速度的不断提升,气动力/热与结构件的耦合效应更加显著,需要通过耦合分析方法才能更准确的评估结构安全性和提升热防护系统设计水平。提出了气动力/热与结构耦合的多类分析方法及实现思路,介绍了相关物理场的数值计算方法,并应用建立的耦合分析方法,对典型热防护系统进行了计算分析。热防护系统耦合分析方法的建立,不但为热防护系统评估与设计奠定了良好基础,同时也为新型防热概念及方法的提出奠定了技术基础。     

美国高超声速飞行器技术研究进展及其启示

为了实现常规型即时全球打击能力质的飞跃,必须把高超声速飞行器技术列为优先发展的重点技术之一.文章综述了近年来美国高超声速技术飞行器技术的研究进展,主要包括HyFly计划、X-43A计划、X-51A计划、HTV-2计划、常规打击导弹(CSM)计划、弧光导弹(Arclight)计划、X-37B计划和高超声速基础研究计划(N...     

“空天战机”:未来世界安全吗?

美国空军试飞X-37B空天飞机,显然是"太空军事化"的开端。"空天飞机"成功试飞之后,立即引起了国际舆论的极大关注。文章论述,"空天飞机"是不是"空天战机"?它对未来战争将产生什么样的深远影响?会不会引发新的太空军备竞赛?未来的世界安全吗?     

X-37B升空：美谋求太空霸主再提速

2012年12月12日,美空军在佛罗里达州卡纳维拉尔角基地利用“阿里亚特-5”型火箭将X-37B型轨道飞行器发射入轨。这是该型飞行器第三次在轨飞行试验,也是2012年内的第二次飞行活动。X-37B作为美可长期在轨驻留和反复使用的新型无人轨道飞行器,具备广泛的军事应用潜力。     

非惯性运动目标弹道预报技术探讨

动能拦截弹的助推段和中段一般针对预测命中点实施制导,这是以目标弹道预报为前提的.空天防御体系的作战对象将来要面对具有大机动能力非惯性运动目标,因此非惯性弹道预报技术将是空天防御技术的难点和关键技术之一.首先分析了非惯性目标运动与控制的特性,讨论了大升阻比空天飞行器的控制原理、飞行约束条件与制导方法,从而探讨非惯性弹道预报的技术可行性.根据现有技术条件,分析了非惯性运动目标弹道预报的关键技术以及弹道外推预报的方法.     

盖板式陶瓷热防护系统的传热性能优化

针对高超声速飞行器对盖板式陶瓷热防护系统的迫切需求,建立了热防护系统结构瞬态传热模型;并研究了防隔热层的物性参数,厚度尺寸,相变层的种类、位置等因素对热防护系统结构传热性能的影响。结果表明,隔热层物性参数及厚度尺寸对热防护系统结构传热性能具有决定性影响,而防热层的物性参数及厚度尺寸几乎不产生影响。相变材料的引入能够明显改善热防护系统结构的传热性能。调整和优化相变层位置是改善热防护系统结构传热性能、降低结构厚度的一个有效途径。隔热层厚度的优化结果可为热防护系统结构设计提供一定的参考和依据。     

从X-37B试飞看太空军事角逐

北京时间4月23日7点52分（美国东部时间4月22日19点52分），美国研制的人类首架空天飞机X-37B成功发射升空。对此，俄罗斯“纽带”新闻网发表文章称，美国秘密研制的X-37B可能就是全世界首架“太空战斗机”；美国兰德公司防务分析专家彼特·威尔逊也表示，“X-37B被认为是能将少量的有效载荷送入轨道，执行一系列军事任务，然后再返回地球的飞行器的雏形”。美国试飞X-37B空天飞机，进一步拉大了与世界其他国家航天技术的距离，同时也可以看出，当前的太空军事角逐日趋激烈。     

基于贝叶斯网的空天飞行器航天试验风险分析

空天飞行器是世界各军事强国竞相研发的航天装备之一。针对空天飞行器开展航天试验所面临的风险问题,首先对空天飞行器航天试验进行了风险分析,按照试验任务确定风险因素,然后在此基础上建立了BN风险模型,输入相关数据得到了各个试验任务及试验总任务的失败概率,最后对风险因素进行敏感度分析。结果表明,空天飞行器航天试验总任务对试验指挥和在轨试验的任务失败较为敏感。以上工作旨在为空天飞行器开展航天试验提供参考和借鉴。     

激波/湍流边界层干扰中的自适应控制技术

从激波/湍流边界层干扰机理以及流动控制的迫切需求入手,从自适应涡流发生器、自适应鼓包、自适应微射流以及自适应次流循环四个方面对激波/湍流边界层干扰中的自适应控制技术研究进展进行了总结。分析认为,结合AI技术发展自适应流动控制技术,加速控制方式智能化,可作为新一代高超声速飞行器宽速域飞行的重要技术手段。具体来说,就是通过调节外加激励对高超声速飞行器不同区域实现局部流动加/减速、气动热防护、气动控制等功能,根据流场参数建立控制反馈回路,自适应调整局部流场结构,以满足工程实际需求。     

飞行器层板式前缘热管防热结构等效热分析

针对高超声速飞行器前缘尖锐部件所面临的严重气动热,提出层板式前缘热管防热结构。为避免前缘热管内复杂的两相传热传质计算,对高温热管蒸汽腔的传热进行了等效导热分析,讨论了蒸汽腔的等效导热系数的计算方法,与常规高温热管试验对比验证了计算方法的准确性。对该结构热防护效果的计算表明,当飞行器在34 km高度以7Ma速度飞行时,以IN718为管壁材料、Na为工质的层板式热管对头部半径为15 mm的前缘结构具有良好的热防护效果。     

高超声速防空导弹结构防热技术展望

近年来,高超声速防空导弹成为各军事大国研究热门。高超声速防空导弹飞行速度马赫数超过5,因此如何准确确定气动加热环境和进行热防护设计,选择合适的防热结构方案,是研制高超声速防空导弹的重要关键技术。基于未来高超声速防空导弹可能面临的热环境,并结合目前国内外在热防护材料及热结构方面的发展状况,介绍几种适合未来高超声速防空导弹的防热设计方案。     

高超声速滑翔飞行器倾斜转弯分析及控制系统设计

倾斜转弯技术是高超声速滑翔飞行器控制的一个重要发展方向.针对高超声速滑翔飞行器倾斜转弯技术开展研究.以平衡滑翔弹道为参考弹道,分析了转弯半径、下降高度、倾侧角等参数之间的关系,提出在设计高超声速滑翔飞行器制导控制指令时,应综合考虑不同高度速度下的控制能力约束.根据奇异摄动理论将动力学系统的受控状态变量分为快变量和慢变量两部分,运用轨迹线性化方法设计了控制系统.仿真结果表明,设计的控制器具有良好的控制性能,但随着高度的增加,控制指令应结合实际控制能力,以完成对飞行器的姿态控制.     

临近空间飞行器等离子体鞘套的太赫兹波穿透特性

临近空间高超声速飞行器再入过程中会产生等离子体鞘套,干扰电磁波对飞行器的探测.针对这一问题,对典型临近空间飞行器模型进行建模,模拟其再入过程中不同飞行工况下的流场分布.基于流场分布对等离子体参数分布进行建模,利用散射矩阵方法从理论上对太赫兹波在等离子体鞘套中的传输特性进行计算.计算结果表明高频太赫兹波能够有效穿透等离子...     

高超声速滑翔式飞行器再入轨迹多目标多约束优化

轨迹优化是高超声速滑翔式飞行器关键技术之一.为避免间接法求解轨迹优化问题时对初值敏感以及伪谱法求解轨迹优化问题中难以处理航路点和禁飞区等问题,提出采用基于Akima插值多项式的直接法求解高超声速滑翔式飞行器再入轨迹优化问题.以驻点热流密度最小和到达目标点时间最小为优化目标,考虑了终端约束、航路点约束、禁飞区约束、动压约束、过载约束等约束条件.仿真结果表明:采用的插值方法可以减少插值过程中的控制变量越界问题;得到的Pareto前沿具有良好的分布性,在初步设计时能够给设计者较大的选择余地;和文献中的单目标优化结果相比,本文所采用的算法也具有较好的寻优能力.     

高超声速飞行器分离干扰的伴随方法分析

以大气层内高超声速飞行器级间分离过程为研究对象,采用伴随方法得到了由冲击力和气动干扰力矩引起的攻角的解析解。利用该解析解,得到了分离干扰引起的攻角的瞬时变化曲线。结果表明,在高超声速飞行器级间分离开始0.4s内,冲击力和气动干扰力矩对攻角有一定的影响,并且随干扰的增大而增大。本研究实现了预示高超声速飞行器分离过程风险的目的,对高超声速飞行器分离干扰策略的制定提供了理论依据。     

充气式防热罩再入轨道设计

充气式防热罩是最近几年才出现的新型航天回收技术 ,为各种轨道航天器的回收提供了简单、可靠、经济的途径 ,有望逐渐取代降落伞在回收系统中的地位。合理选择防热罩外形 ,用CFD方法计算了防热罩以亚、跨、超声速飞行时的阻力特性 ,并与工程估算方法作对比。分别采用单次和二次充气方案 ,完成了 90kg货舱安全着陆的再入轨道设计。在对两种充气减速方案的再入轨道进行比较分析之后指出 :对于回收同样重量的货舱 ,二次充气方案在保证减速效果的前提下大幅度减轻了防热系统设计的负担 ,是理想的ITS再入减速方案     

高超声速飞行器边界层外缘参数仿真分析

以高超声速飞行器为研究对象,构建快速准确计算高超声速飞行器无黏边界层外缘参数的计算方法。拟合空气比热、比热比随温度变化曲线,建立空气属性温度划分准则。基于不同空气属性建立高超声速飞行器边界层外缘参数工程与数值计算模型,采用钝双锥模型,对比分析工程估算、无黏数值及有黏数值计算方法的计算结果。结果表明,0°攻角状态下,基于无黏流场的数值计算与工程估算和有黏数值计算的压强最大差值分别为1.19%和2.39%;10°攻角状态下,最大差值分别为5%和50%;从而证明所提出的无黏数值计算方法明显优于工程计算方法,为进一步快速准确计算高超声速飞行器气动热环境奠定了重要基础。     

高超声速滑翔飞行器气动性能的数值模拟研究

由于具有高的升阻比,乘波构型被认为是高超声速滑翔飞行器的重点参考外形.考虑到高超声速条件下严重的气动加热问题,乘波构型的尖锐前缘需要进行钝化处理,其表面流动特征及气动性能也随之发生变化.基于参考弹道,本文分析了高超声速滑翔飞行器沿飞行轨迹的表面流场特征,并对其在典型飞行工况下的气动性能开展了数值模拟研究.结果表明:对于采用乘波布局设计的高超声速滑翔飞行器,其驻点流动存在三维效应,不能简单视为球头或圆柱绕流;钝化可以缓和严峻的受热形势,同时对其气动力性能造成影响:在2cm钝化半径条件下,其升阻比下降12.34％;高超声速滑翔飞行器的表面受热存在明显的分区特征,不同区域可采用不同的防热处理方法.