用建模前估计法辨识飞行器的气动参数

给出了一种利用飞行器飞行试验实测数据估算飞行器气动参数的建模前估计算法，完成了某轴对称无控飞行器的非线性气动参数辨识。计算结果表明：该方法计算过程简单、迅速，可以作为快速估算飞行器气动参数的有力手段，尤其适合于辨识大攻角下的气动参数。     

基于齐默曼布局的微小型无人机气动布局设计研究

齐默曼布局是小展弦比实现大升阻比的优秀气动布局,相比于矩形翼等传统布局非常适合微小型无人飞行器使用。采用综合方法针对齐默曼布局开展小型飞行器的总体设计与气动设计工作,包括以下四个阶段,即通过给定设计目标对无人机任务载荷进行选型;基于翼载、质量和翼型之间相互迭代确定无人机总体参数;结合计算流体力学方法对无人机进行数值模拟,最终获得无人机具体气动参数并指导电子部件与飞控选型;通过工程试制完成样机制造并进行外出试飞实验,验证了齐默曼布局在低雷诺数下的气动优势。研究结果表明,齐默曼布局在微型固定翼无人机应用中展现出良好的表现。据此,本文进一步构建了一套基于齐默曼布局的高性能微小型固定翼飞行器设计方案。     

基于乘波概念的防空导弹气动布局及外形优化

尝试将乘波体前缘设计应用到高超声速防空导弹气动布局研究中,设计出了由具有乘波体前缘的翼面和椭圆截面弹身组成的上下面对称飞行器.同时,发展了基于代理模型的参数化优化设计流程,应用于弹身外形的优化,飞行器升阻比得到进一步提高.采用数值计算和风洞试验2种手段获取了该飞行器的气动特性.结果表明,该飞行器具有高升力、高升阻比等特点.     

复杂外形高超声速飞行器气动热快速工程估算

针对复杂外形高超声速飞行器方案设计阶段的气动热计算效率问题,建立了高超声速飞行器气动热的快速工程计算方法。采用修正牛顿理论确定飞行器表面压力分布,利用牛顿最速下降理论计算飞行器表面流线分布,采用参考焓法、高温空气热力学特性的拟合公式以及热流密度的工程计算公式求出飞行器表面目标点的热流密度,计算了钝锥、升力体以及类乘波体的表面热流分布。仿真分析表明:该方法适用于复杂外形,且具有较高的计算效率和精度,能够满足复杂高超声速飞行器设计方案阶段气动热估算需求。     

稀薄流高超声速飞行器气动加热耦合计算

针对稀薄流域高超声速飞行器的气动加热问题,开展耦合数值计算研究。通过引入牛顿冷却定律,将直接模拟蒙特卡洛数值模拟方法与结构传热计算方法相结合,设计一种可对全机外形进行气动热和结构传热计算的高效松耦合方法,实现飞行器防热层结构材料温度分布特性的数值模拟。在以钝锥外形为例对直接模拟蒙特卡洛数值模拟程序进行验证的基础上,采用该方法对X37B轨道飞行器外形长时加热与结构传热过程进行数值模拟,给出结构温度及热流密度随飞行时间的变化规律。研究结果表明,设计的耦合计算方法能够模拟稀薄流域高超声速飞行器的气动加热及结构传热耦合过程,可为该类飞行器的气动热分析及热防护设计提供技术支持。     

高超声速边界层转捩和湍流计算问题

计算流体力学方法在飞行器的研制中正起着越来越大的作用。相比于实验受制于在地面无法完全实现真实飞行所遇到的条件,有其优势。但要做到准确估算各种气动载荷,如摩阻和热载荷,前提是能准确预测转捩位置和有湍流计算的能力。分析了国外流行的转捩预测方法及湍流计算模式中存在的问题。介绍了相应的改进方法。     

一种高阶累积量的模态参数辨识方法改进及其应用

高阶累积量的模态参数辨识方法能够消除高斯噪声的影响。但基于传统的高阶累积量降阶方法的子空间模态参数辨识方法具有一定的缺陷。为此,提出2种降阶方法用于高阶累积量的子空间模态参数辨识方法,并对这2种方法进行了比较。利用主切片方法对某变截面轴进行了模态参数识别,获得了与有限元法相一致的计算结果,从而证明了该方法的可靠性。该方法的辨识质量较高,能够用于一般结构的模态参数辨识。     

泵转子流固弱耦合计算与分析

为了探索流固弱耦合计算在推进泵上应用的可行性和有效性,完成了某转子静强度、动强度和振动模态计算与分析。首先,完成泵稳态和瞬态流场CFD计算,提取水动力载荷数据;然后,采用流固弱耦合方法对结构完成稳态和瞬态计算,提取静应力和动应力以及最大变形,校核静强度和动强度;最后,完成流固耦合条件下转子模态分析,得到模态频率和特征振型。结果表明：转子叶片最大应力位于叶根处、最大位移位于叶梢截面近随边处;转子叶片应力满足材料的强度要求,变形量小于叶顶间隙值;湿模态振型与干模态基本一致,但振型幅值明显降低、模态频率降低。该流固弱耦合计算方法能够用于泵转子结构设计与振动谐响应分析,有助于提升设计质量。     

气动弹性影响下高超声速飞行器动力学建模与分析

高超声速飞行器通常采用轻质材料和细长升力体设计,导致受控刚体运动频率与结构振动频率趋于接近,给飞行器制导控制系统设计带来了巨大挑战。基于假设模态下建立了考虑变截面效应的高超声速飞行器自由梁结构动力学模型,对比了横截面梁和变截面梁模态振型和频率;考虑变截面效应后,振型变化较大,同时二、三阶模态频率均变小。给出了耦合气动弹性和飞行动力学的高超声速飞行器运动方程。在典型工况下,对比分析了刚体、常截面梁和变截面梁高超声速飞行器的平衡和动态特征,结果说明:变截面梁在平衡状态下附加攻角更大,系统在平衡点处开环不稳定性更大,同时非最小相位行为基本不变。     

基于气动-弹道一体化模型的飞行器外形优化设计

为提升飞行器气动外形优化设计效果,研究了新型飞行器在大空域、宽速域范围的气动适应性问题,提出一种基于气动-弹道一体化模型的外形优化设计方法。通过考虑气动和弹道的耦合作用,综合利用类型函数/形状函数转换技术、气动工程估算方法和Radau伪谱法,建立飞行器气动-弹道一体化模型。基于该模型,通过明确优化目标和约束条件,给出基于Kriging的气动外形优化方法,实现在多参数约束条件下的飞行器气动外形高效全局优化。以升力体构型飞行器为例,开展气动外形优化设计,结果表明该方法能较好地描述大空域、宽速域的气动和弹道特征,有效提升飞行器气动外形设计精度和水平,可为新型飞行器总体设计提供技术支撑。     

吻切锥乘波构型优化设计与分析

吻切锥乘波构型是未来高超声速有动力巡航飞行器气动外形重要的设计参考。采用参数化设计方法实现了吻切锥乘波构型的设计,并利用工程估算的方法对构型的气动性能进行了分析;在多参数正交试验分析的基础上,开展了以升阻比,容积和容积率为目标的设计优化。CFD计算显示,优化的外形具有良好的升阻比和容积率性能,且底部流动均匀,是实现高超声速飞行器前体/超燃发动机进气道一体化的重要参考。     

粒子群算法的弹道参数辨识方法

提出一种基于粒子群算法的航空武器气动参数辨识算法,该算法采用粒子群算法计算航空武器气动参数分段函数的分段边界点马赫数值,在此基础上采用实数编码遗传算法计算分段函数的多项式系数.采用该算法进行某型炸弹阻力系数辨识计算,计算结果表明:该算法可行,且计算的阻力系数精度高.计算结果已成功应用于某型航电火控系统的设计中.     

分布参数管道的一种改进的小分段数有限元模型

在分段数为１和２时，现有有限元模型的一阶谐振频率比一维分布参数模型的一阶谐振频率低许多，因而其适用的频率范围较低，计算精度较差。本文提出了一种改进的小分段数有限元模型，通过修正流体管道的并联导纳使分段数为１和２时的有限元模型的一阶谐振频率与一维分布参数模型一致，从而提高了其使用的频率范围和计算精度。利用单根管道阀门关闭的水击问题的仿真计算对改进模型的效果进行了验证。在分段数为２时，原有的有限元模型的计算结果与分布参数模型的计算结果相差较大，而改进后的模型的计算结果与分布参数模型的计算结果基本一致。     

平流层飞艇飞行模态分析

平流层飞艇的总体布局、升空原理和工作模式明显不同于导弹、飞机等传统飞行器,其动力学特性亦不同于上述飞行器,须深入研究其飞行动力学的基本特性、一般规律和内在机理。针对此问题,系统研究了平流层飞艇的飞行模态。采用小扰动方法推导了平流层飞艇的线性运动方程,将其解耦分组为纵向运动方程和横侧向运动方程;定义模态及模态参数,研究平流层飞艇的模态分析方法;通过计算分析状态方程的特征值和特征向量,研究了平流层飞艇的飞行模态。结果表明:纵向运动由浮沉、浪涌和摆动三种模态叠加而成,横侧向运动由偏航衰减、侧滑衰减和滚转振荡三种模态叠加而成。     

分段轴压阶梯梁自由振动及稳定性分析的传递函数方法

采用分布传递函数方法,分析任意多段分段常轴压阶梯梁的自由振动和稳定问题,得到形式统一的封闭解析解。根据梁横截面几何尺寸、梁材料和轴压沿梁轴线的变化,将梁分成多段子梁,对每一子梁采用传递函数方法得到其解析解,通过各子梁间的位移连续和力平衡条件,得到分段常轴压阶梯梁的各阶自由振动频率和失稳载荷及其相应的模态形状。通过三阶梯梁的算例验证本文方法的正确性,并以四阶梯梁为例,计算分段轴压多阶梯梁自由振动的固有频率。     

基于乘波构形的跨大气层飞行器气动布局

利用乘波构形具有升阻比大的特点,将其作为滑翔跳跃式跨大气层飞行器的基准外形进行研究,提出了乘波构形的设计方法,详细分析了各设计参数对乘波构形的影响,研究了不同马赫数、不同优化目标下得到的乘波体的性能,得到了升阻比大、容积效率高的跨大气层飞行器气动布局,所得结论对跨大气层飞行器气动布局和乘波体外形的研究具有一定的参考价值。     

高超声速过渡区气动热的DSMC数值模拟研究

气动热是制约高超声速飞行器设计的主要因素之一,当飞行高度大于40 km时流场中存在局部过渡区流动特性,基于分子动力学的DSMC方法是解决高超声速过渡区气动热计算的有效途径之一。针对高超声速飞行器的典型球锥外形,采用DSMC方法开展了过渡区流动气动热特性研究,分析了当流场具有过渡区流动特性时,飞行马赫数和飞行高度对气动热的影响规律,并与Fay-Riddell驻点热流的工程算法作了对比分析。计算结果表明,DSMC方法在高超声速过渡区流动气动热计算中可以得到较好的结果,适用于高超声速过渡区流场气动热的计算与分析。     

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。     

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...     

飞行器防热涂层厚度的确定

飞行器飞行M数大于5以上时,气动加热问题较严重,这给飞行器壳体结构设计带来许多热防护问题,如气动加热的计算方法,温度沿舱体厚度的分布,防热涂层厚度的确定,对涂层性能的要求,及向结构件上的喷涂工艺,壳体结构件的热强度和舱体热环境试验等。这些问题都要进行深入的工程研究。