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。     

鸭式布局旋转导弹舵翼干扰问题气动特性研究

本文通过风洞旋转测力试验针对鸭式布局旋转导弹的舵翼干扰问题进行了研究。采用风洞试验方法对于不同舵翼周向角气动数据进行分析,得到转速随舵翼周向角变化规律;运用四点、八点平均获得的法向力系数与旋转情况下测得的平均法向力系数基本一致,可采用准定常方法解决旋转弹纵向气动问题;小攻角下洗流干扰强烈,使得纵向气动性能波动较大;通过研究得到了舵翼干扰造成的马格努斯效应随转速及攻角变化的波动规律,马格努斯力与力矩在中等攻角下随攻角非线性变化较大且产生的绝对值也较大。     

高超声速锥-柱-裙外形不同尾裙尺寸对轨控喷流干扰的影响

通过求解三维RANS方程研究了锥-柱-裙外形尾裙变化对轨控侧向喷流干扰的影响。利用高超声速条件下轨控喷流干扰风洞试验结果验证了数值方法的可靠性,进而数值模拟给出了不同尾裙长度及底部直径外形的轨控侧向喷流的干扰流场,对比了不同尺寸尾裙外形的壁面压力分布、力干扰因子和轨控偏移量结果。研究结果表明：尾裙尺寸对喷流附加干扰效应的影响显著,在相同尾裙长度条件下,随着尾裙底部直径增加,力干扰因子减小,轨控偏移量量值增大;尾裙底部直径对力干扰因子与轨控偏移量的影响随着负攻角增大而变的更加明显,而在正攻角条件下的影响较小;在相同底部直径条件下,尾裙长度对力干扰因子和轨控偏移量的影响在不同攻角条件下的规律不同。     

粘性对高超声速飞行器攻角特性影响研究

采用二维耦合隐式NS方程和标准κ-ε湍流模型对高超声速飞行器在进气道关闭、发动机通流以及发动机点火工作状态下的内外流场进行了数值仿真研究,离散采用二阶迎风格式,分析了在不同攻角(-10°～7°)条件下,粘性对处于三种不同的工作状态下高超声速飞行器升力特性、阻力特性以及俯仰力矩特性的影响.结果表明,粘性对处于发动机通流和发动机点火工作状态下的飞行器气动-推进性能影响显著,尤其是阻力特性,粘性阻力占总阻力的比重超过50%.     

喷流干扰效应的快速计算方法

给出了一种快速计算火箭发动机喷流流场的方法,并在此基础上发展了一种计算喷流与物面间干扰流场及飞行器气动特性的工程计算方法。该方法不仅考虑了喷流与物面的碰撞,还考虑了有攻角下自由来流与喷流间的相互干扰。计算结果表明,该方法对飞行器初步设计是十分有用的工具     

脊形前体俯仰动态绕流数值模拟研究

针对飞行器俯仰运动时流场结构会跨越显著差异的流态,且其气动力和力矩会呈现强烈的非定常、非线性的动态流场特性,采用IDDES混合湍流模型,研究了脊形角90°的前体俯仰运动时的动态流场特性以及来流马赫数对俯仰振荡动态涡流场结构和非定常气动力的影响。研究结果表明：对于脊形前体大振幅俯仰振荡运动,上仰时前体涡破裂延迟,导致大攻角时升力、阻力和俯仰力矩明显大于相应攻角的静态值;下俯时前体涡再附延迟,且远离机身壁面,导致升力、阻力和俯仰力矩比上仰时小,非定常气动力迟滞效应显著;同时,马赫数越小,俯仰振荡的迟滞效应越显著。     

导弹大攻角高机动飞行特性分析与仿真

以新一代无翼式气动布局导弹为背景,在大攻角气动特性理论基础上,分析了在导弹主动段、攻角在180°范围内变化的导弹飞行特性,得出了90°内大攻角最大转弯能力和180°攻角附近最大降速效果的结论。进行了俯仰平面S型轨迹机动飞行仿真,仿真结果说明了大攻角飞行的高机动特性。     

脊形前体飞行器静态绕流数值模拟研究

针对脊形前体类飞行器大攻角下非定常大范围分离流动,采用基于SA模型的IDDES混合湍流模型,以及高效、高精度的非定常算法,数值模拟由脊形角7.5°的前体添加平板机翼组成的脊形前体飞行器在不同雷诺数和攻角下的气动特性。研究结果表明：在所考察雷诺数范围内雷诺数变化时流场结构趋同,对称性较好,对飞行器气动力系数影响较小;攻角变化下,机翼前缘涡和前体涡相互干扰,使得前体涡和前缘涡破裂延迟,整体失速特性有明显改善,较单独脊形前体,流场对称性保持较好;由于机翼前缘涡诱导低头力矩,与脊形前体涡诱导抬头力矩相互抵消,使得翼身组合体的纵向稳定性特性,较单独脊形前体有明显改善。     

内埋武器机弹分离动态风洞投放试验研究

基于动力学相似的动态风洞投放试验研究了尖拱圆柱体从空腔中分离的气动及运动特性,并创新性地采用快响应压敏漆技术对动态运动模型表面上的压力分布测量进行初步探索研究,试验中探究了不同空腔模型攻角(α=0°,-1.5°,-3°)及弹体在空腔内的不同位置(L₀=25 mm, 39 mm)对内埋武器机弹分离特性的影响。结果表明：弹体在空腔内的位置对机弹分离运动特性的影响最大,当L₀=25 mm时,弹体模型头部区域压力明显高于后部区域压力,产生抬头俯仰力矩,导致弹体模型俯仰角逐渐增大,最终碰撞空腔模型,降低载机攻角并未改变弹体模型碰撞空腔模型的效果。当L₀=39 mm时,弹体模型在给定的攻角下均能安全地从空腔中分离。     

高亚声速时叶尖小翼对压气机叶栅泄漏流动的影响

为了探索跨声速来流条件时,不同安装位置、不同宽度的叶尖小翼对压气机叶栅气动特性的影响,对Ma=0.8时包括原型叶栅在内的7种扩压叶栅的流场进行了数值研究.结果表明:在多种因素的共同影响下,不同来流冲角的吸力面叶尖小翼在流场中都为负效果,增加了流场复杂性;压力面叶尖小翼则改善了泄漏流动,减小了流动损失.两种安装位置的叶尖...     

高旋弹头滑块控制的建模与仿真

建立了双滑块机构下的高旋弹头动力学分析模型,对气动力矩变化和惯量张量变化给外弹道参数带来的影响进行了仿真研究,结果表明:双滑块机构对弹道三维方向的改变均有效果,同时弹头飞行攻角也是逐渐减小,因此系统的稳定性也是可以得到保证的,这就为后续的闭环控制提供了必要的保证.     

非对称尾翼伴飞弹大攻角流场及气动特性分析

采用SSTk-ω湍流模型基于有限体积法求解三维N-S方程,进行稳态数值模拟,得到了伴飞弹在Ma =0.6,0°～ 90°攻角的气动力和绕流场变化规律,弹体所受侧向力随攻角增大呈周期性变化;弹体在所研究的攻角范围内静稳定,但在大部分攻角时稳定力矩不足,不利于伴飞弹迅速恢复稳定姿态.因此,提出了增大尾翼弦长和翼展两种改进方...     

高超声速飞行器中若干气动难题的实验研究

回顾了近几年本研究团队在高超声速飞行器若干气动难题方面的实验研究进展。在边界层转捩方面,测量了边界层转捩现象,研究了攻角效应对圆锥边界层转捩的影响,获得了边界层转捩的脉动特性以其对飞行器表面热流和摩阻的影响。在激波-边界层干扰方面,分析了突起物形状变化对流动特性的影响,研究了复杂外形的流动特性。     

细长体高速风洞超大攻角支撑干扰数值分析

为改进试验技术、提高超大攻角下试验数据精准度,开展模型支撑干扰影响分析,针对细长体在高速风洞超大攻角试验中遇到的支撑干扰问题,采用数值模拟方法对侧撑和分段式支撑（尾撑/背撑）方案在亚、跨声速下的干扰进行了分析。数值模拟结果表明：整体而言,分段式支撑的干扰量较小,进行静态测力试验应尽量选用分段式支撑方案;侧支杆由于横穿流场,其引起的激波、膨胀波会显著改变模型的压力分布,在选用侧撑方案开展0°～180°连续动态试验时,需要开展流场干扰分析,并结合数值手段进行支撑干扰修正。     

摆动喷管控制精度相关问题讨论

对不同性质的喷管特点以及在控制力作用下喷管的响应特性进行了初步分析;以某防空导弹为例,阐述了摆动喷管在非理想状态下摆动时作动器牵连运动、正负摆角不对称、力臂变化、摆心漂移、位移传递系数精度和预调角对摆角控制的影响;同时说明了负载力矩和伺服机构相关参数影响着摆动喷管位置控制精度。     

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。     

外挂式导弹机弹分离气动干扰特性研究

以经典的机翼/挂架/导弹组合模型为例,采用重叠网格软件系统和计算流体力学技术,从机弹干扰工况简化和气动干扰特性影响因素分析两个方面对外挂式导弹机弹分离气动干扰特性进行研究。导弹分离轨迹参数和气动干扰系数的数值预示结果与捕获轨迹试验结果吻合,表明该计算方法能有效预测机弹分离轨迹和分析导弹与载机间复杂气动干扰现象。根据计算流体力学结果,从马赫数、机翼攻角、导弹攻角等方面,给出导弹在不同分离工况下的气动干扰规律,并采用增量系数法对缺失工况进行一阶外插处理的气动干扰数据外推方法,可应用于机载外挂空基武器的机弹分离轨迹预示和气动干扰特性设计中,具有重要的工程应用价值。     

电磁发射超高速弹丸气动特性数值分析

采用数值计算方法研究了超高速弹丸的气动流场特性,重点分析了弹丸再入段的气动流场特性.利用风洞试验数据验证了S-A和k-ωSST湍流模型的预测精度,计算结果表明,在法向力预测上,两种湍流模型的预测精度较高,均在2％以内.在轴向力预测上,S-A湍流模型的预测精度较高,误差约为4.6％.当弹丸以大攻角再入时,弹丸横流效应较为...     

大攻角飞行空空导弹鲁棒自动驾驶仪设计

当前,导弹自动驾驶仪多采用经典设计方法。是在导弹气动参数变化不大、通道间的耦合较小的情况下设计的。为了满足导弹高机动性能要求,常采用大攻角飞行;然而导弹大攻角飞行时,将会出现空气动力学系数不确定性、非线性和通道间的严重耦合问题,这就要求所设计的自动驾驶仪具有较好的鲁棒性。就导弹在大攻角飞行状态下、通道间解耦的基础上,针对空气动力学系数不确定性,用μ方法对俯仰通道驾驶仪进行了设计,仿真表明该方法具有较好的鲁棒性能。     

高超声速飞行器纵向平面滑翔飞行制导控制方法

针对高超声速飞行器纵向平面内准平衡滑翔制导控制问题,提出一种基于动态面控制和滑模控制的制导与姿态控制系统设计方法。建立高超声速飞行器纵向平面质心和绕质心运动模型,以航程预测-校正控制为出发点得到期望速度倾角并结合飞行器纵向模型中速度倾角、攻角和俯仰角速率间的关系,利用动态面控制方法、终端滑模控制和二阶滑模控制方法完成高超声速飞行器纵向平面内制导与姿控系统设计。基于偏导系数矩阵形式的通用高超声速飞行器气动模型,完成期望攻角和左右升降舵偏角指令的解析计算。通过高超声速飞行器对该制导控制系统设计方法的有效性和鲁棒性进行仿真验证。根据数值仿真结果,系统阐述了高超声速飞行器进入准平衡滑翔飞行前后制导控制系统工作的特点,进而总结了从初始下降段到准平衡滑翔段交班飞行阶段制导控制系统设计需要注意的问题。