远程超低飞行轨道分析

研究了一种新的远程导弹飞行轨道的可行性,它的最大飞行高度约100 km.这种超低弹道,借鉴卫星模式,利用离心力抵抗重力.与卫星轨道运行不同的是,超低弹道周围的稀薄空气影响至关重要,必须考虑.计算和分析结果表明,在相同载荷条件和射程条件下,超低弹道和经典的最小能量弹道对于火箭动力的需求大致相当,射程10000km以上基本相同,头部半径为5cm的轴对称外形,沿超低弹道飞行时,其驻点热流在高度26km左右达到最大值50MW/m2,约为最小能量弹道驻点热流最大值的50%.由于超低弹道对升力没有要求,飞行过程中的气动加热问题,沿用成熟方法如烧蚀防热即可解决.总体而言,超低弹道对于火箭动力与外形气动力/热要求,现有技术容易满足,因此利用它增强远程导弹的突防能力是现实可能的.     

离心力和滑翔距离对于高超声速巡航飞行性能的影响

高超声速巡航飞行器(HCV)是21世纪国际空天技术竞争的焦点, 它的飞行性能可以用初始发射质量与广义有效载荷之比衡量. 文献[1]建立了该性能的耦合分析框架. 在这个框架下进一步考虑了离心力和滑翔距离两个重要因素的影响. 定量分析表明: 给定飞行距离, 对HCV飞行性能影响最大的是巡航速度, 其次是升阻比, 再次是巡航发动机比冲. 随着飞行距离的增加, 由于离心力和滑翔距离的计入, 火箭动力HCV的飞行性能大幅提高, 从近中程到远程均显著优于经典的最小能量弹道. 吸气式冲压发动机尽管比冲大幅优于火箭发动机, 但在巡航速度适用范围和飞行器升阻比方面, 均不及后者. 综合而言, 火箭动力HCV是现阶段非常有竞争力的选择.      

基于吸气式电推进的超低轨飞行系统分析

超低地球轨道(超低轨, VLEO)飞行器对于高质量通讯、地球与空间科学观测具有重要意义.为了克服超低轨区域的高层大气阻力,使飞行器长期在轨飞行,吸气式电推进(ABEP)飞行器的概念被提出并被广泛研究.文章首先分析了吸气式电推进飞行器在150 km高度轨道的主要飞行约束,包括归一化的工质平衡和能量平衡,并提出了影响飞行器超低轨维持的主要因素.为了使有效载荷飞行器长期维持在150 km附近超低轨高度并保持一定的载荷有效覆盖率,提出了两种超低轨飞行系统方案,包括基于无线能量传输技术构建的飞行系统和近地点150 km椭圆轨道飞行系统.计算了相应的轨道高度限制并考虑有效载荷地面覆盖率给出了星座构建方案,评估了上述两种方案的可行性与综合效果.两种方案中,有效载荷均可以在150 km附近的轨道高度内长期维持地面覆盖率,可以为超低轨长期稳定的通讯网络构建、对地观测和相关科学实验提供条件.     

基于非线性耦合本构关系模型的尖化前缘气动加热影响研究

结合数值模拟与风洞试验技术,在高超声速连续/稀薄滑移流条件下对尖化前缘这一典型构型的气动加热影响开展深入研究.在三维有限体积框架下,应用非线性耦合本构关系(nonlinear coupled constitutive relations, NCCR)模型对试验工况下的尖化前缘外形开展数值计算,检验NCCR模型在尖化前缘构型中准确描述局部稀薄非平衡流动和物面气动热的性能.数值结果与实验数据对比表明,在等效高度33 km的风洞试验条件下, NCCR模型计算得到的驻点热流系数峰值同实验值偏差为1.81%, Fay-Riddell公式和纳维-斯托克斯(Navier-Stokes, NS)方程得到的驻点热流系数峰值同实验值偏差均在5%以内,物面其他位置的壁面热流系数计算值与实验值偏差均在10%以内,证明此时飞行器尖化前缘区域局部稀薄气体效应对气动加热影响程度较弱;在等效高度60 km时,飞行器尖化前缘区域附近的局部稀薄气体效应对气动加热的影响较为明显, NS方程计算的驻点热流系数偏差为33.31%, Fay-Riddell公式计算驻点热流系数同实验值偏差为29.5%, NCCR模型计算的驻点热流...     

关于发射人造地球卫星的最佳轨道

从动力的要求考虑,[1]中指出,发射人造地球卫星的轨道最好分为三段:一是由地面起飞冲破大气层到达一定高度的主动段,二是自由飞行段,最后是在卫星运行轨道附近通过冲击使卫星进入预定轨道的很短主动段。最佳要求是使整个发射过程中的火箭发动机的特征速度总需要量最小。分析问题时,通常认为冲击是瞬时作用的,又自由飞行段与     

极高超声速稀薄气体原子辐射效应的p-DSMC方法

极高超声速流动激波层内的高温导致内能模态的激发并伴随热辐射发生, 过高的温度使得空气分子完全解离, 原子组分对辐射热的贡献将达到80%以上. 本文基于优化的原子辐射模型, 提出追踪光子?直接模拟蒙特卡罗(p-DSMC)方法, 研究了稀薄流区不同马赫数下的高超声速二维圆柱绕流的壁面辐射加热, 获得了有无激发辐射效应的壁面压力和热流以及沿驻点线变化的平动、振动和转动温度. 在不考虑激发辐射效应的情况下, 得到的壁面压力和热流与已有的模拟结果符合的非常好, 误差均在5%以内, 尤其是在驻点位置, 误差在1%以内; 获得的平动、振动以及转动温度均与文献结果符合的很好. 在相同的来流条件下, 考虑辐射效应后发现, 来流速度低于10 km/s时, 辐射加热不明显, 在驻点区域, 辐射加热占对流加热比重在7%左右; 来流速度大于10 km/s时, 在驻点区域, 辐射加热占对流加热比重将超过30%. 考虑辐射效应后, 对非平衡区的平动、转动和振动温度的最大值影响不大. 此外, 另一个重要结论是, 流场中原子的浓度是影响壁面辐射热流大小的一个重要因素.      

高超声速非定常流动的数值模拟与气动热计算

高超声速飞行器研究中的一个重点问题是飞行器表面的气动加热,它对飞行器的气动、热特性及安全性有重要的影响.受到当前实验技术的限制,地面实验无法准确模拟真实飞行条件,所以采用数值模拟研究气动加热问题成为目前重要的研究手段.本文采用数值方法求解三维N-S方程,得到钝头体再入模型绕流的瞬态流场,驻点温度及表面热流沿轨道变化规律.计算中采用变边界条件模拟沿轨道飞行的非定常性.     

模拟Chelyabinsk小行星进入的烧蚀实验

烧蚀是小行星极高速进入地球大气层后最重要的现象之一,在很大程度上决定了小行星的质量/尺寸变化、飞行轨迹、甚至光辐射特性. 为观测小行星材料在超高速高温流场中的烧蚀现象,在电弧加热器上开展了模拟Chelyabinsk小行星事件典型弹道状态(速度约5.6 km/s,高度17 km,流星体直径1 m)的烧蚀实验. 试件为钝头外形,头部半径20 mm,半锥角18$^\circ$. 作为对比,试件分别采用玄武岩和碳钢材料. 成功记录了清晰的烧蚀动态过程,观察到两种材料试件表面的熔融损失流动、以及玄武岩试件的蒸发喷射和崩裂剥落等现象,全程测得烧蚀气体发射光谱、试件实时外形变化、表面热图变化等数据. 分析结果显示了两种材料明显不同的烧蚀现象和质量损失机制:碳钢在高温气流冲击作用下溅射成大量微小液滴,跟随气流高速流失;玄武岩质量损失以熔融物剪切流动为主,并伴随少量块状剥落及蒸发喷射. 烧蚀时间为4 s,玄武岩和碳钢的质量损失及驻点后退量分别为37.9 g,72.7 g以及7.3 mm,13.1 mm,估算玄武岩材料的有效烧蚀焓约为2.6 MJ/kg,两种材料的烧蚀光谱测量组分与电镜能谱扫描结果吻合.      

面向突防的多导弹协同弹道规划方法

针对目前多弹协同研究中长距离、宽速域、大空域协同弹道规划研究匮乏这一问题,同时考虑通过弹道设计降低飞行过程中雷达探测概率的实际需求,提出了一种面向突防的多导弹攻击时间/攻击角度协同的弹道规划方法。根据雷达方程,建立了威胁量化模型;针对多导弹攻击时间/攻击角度协同作战需求,给出了实现攻击时间/攻击角度协同的方法;设计了协同弹道规划求解框架,将上述协同攻击问题转化为非线性规划问题,基于hp-自适应Radau伪谱法进行求解得到了满足攻击时间/攻击角度协同的弹道,并对两种典型案例进行了仿真验证。同地先后发射和不同地同时发射情况下,均得到了满足攻击时间/攻击角度协同的弹道。仿真结果表明,该方法能够满足雷达探测威胁最小条件下,多导弹以协同攻击时间/攻击角度对目标实施打击。     

ARCJET ABLATION EXPERIMENT TO SIMULATE THE CHELYABINSK ASTEROID ENTRY 1)

烧蚀是小行星极高速进入地球大气层后最重要的现象之一,在很大程度上决定了小行星的质量/尺寸变化、飞行轨迹、甚至光辐射特性. 为观测小行星材料在超高速高温流场中的烧蚀现象,在电弧加热器上开展了模拟Chelyabinsk小行星事件典型弹道状态(速度约5.6 km/s,高度17 km,流星体直径1 m)的烧蚀实验. 试件为钝头外形,头部半径20 mm,半锥角18$^\circ$. 作为对比,试件分别采用玄武岩和碳钢材料. 成功记录了清晰的烧蚀动态过程,观察到两种材料试件表面的熔融损失流动、以及玄武岩试件的蒸发喷射和崩裂剥落等现象,全程测得烧蚀气体发射光谱、试件实时外形变化、表面热图变化等数据. 分析结果显示了两种材料明显不同的烧蚀现象和质量损失机制：碳钢在高温气流冲击作用下溅射成大量微小液滴,跟随气流高速流失;玄武岩质量损失以熔融物剪切流动为主,并伴随少量块状剥落及蒸发喷射. 烧蚀时间为4 s,玄武岩和碳钢的质量损失及驻点后退量分别为37.9 g,72.7 g以及7.3 mm,13.1 mm,估算玄武岩材料的有效烧蚀焓约为2.6 MJ/kg,两种材料的烧蚀光谱测量组分与电镜能谱扫描结果吻合.     

快速静电探针的研制与应用

静电探针作为等离子体诊断的一种基本手段,在许多高温气体动力学的地面模拟实验设备(诸如电弧加热器、等离子体风洞、火箭发动机、激波管、高速弹道靶等)以及再人飞行试验中均有广泛的应用。因此,它对于同遥测、通 ...     

预置舵角对高速入水弹道和流体动力的影响

为了实现导弹以反复入水方式进行末段突防,需要形成向上弯曲的弹道,考虑采用预置舵角的方法迫使弹体在超空泡流动条件下作抬头转动,依靠攻角产生的尾部滑行力提供转平所需的法向过载。本文研究了具有细长前锥段外形的超空泡导弹在高速入水时弹道和流体动力的情况。利用动网格技术控制弹体以及整个计算区域的运动,采用Mixture方法描述气-液界面的运动变化;通过流场-弹道耦合方法,分析了通气条件下,0°~30°范围内不同预置舵角下入水弹道与流体动力的变化规律。研究结果表明,预置舵角可以控制弹道转平,且预置舵角越大弹道越容易转平。     

近空间高超声速飞行器气动特性研究的若干关键问题

在30～70 km空域机动飞行的高超声速飞行器的优点是可以耦合利用所处空域的空气产生的升力和高速飞行的离心力进行远距离机动滑翔飞行,具有重要的实用价值.尽管过去数十年在高超声速流动研究方面取得显著进展,但在设计研究近空间远程滑翔的高超声速飞行器方面仍然存在许多挑战,特别是对特定飞行条件下的流动机理了解不清楚.本文介绍了作者研究团队在开展近空间高超声速飞行器有关的关键气动问题方面的研究进展,主要包括:建立了近空间高超声速飞行的流动模型,发展了系统的相关计算空气动力学方法,针对高空高速飞行条件下稀薄气体效应和真实气体效应的耦合作用影响研究了合适的滑移边界条件,考虑了不同组分存在条件下的温度、速度和压力的滑移效应影响;提出了飞行器气动外形的动态优化方法,获得了可工程实用化的高升阻比飞行器气动外形;建立了高速飞行器动稳定性理论,在实现高超声速飞行器动态稳定飞行方面取得重大进展;最后讨论了高超声速飞行器设计中进一步需要关注的若干关键技术和科学问题、可能解决的途径及其所涉及的学科发展方向.     

疏导式热防护在翼前缘中的应用探索

针对高超声速飞行器飞行时翼前缘存在着严重的气动加热问题,为了保证翼前缘的尖锐外形,提出疏导式热防护结构,利用内置高温热管结构为翼前缘提供热防护。采用数值模拟和电弧风洞试验的方法对翼前缘疏导式结构进行了分析,得到翼前缘内置高温热管具有的防热效果。数值模拟结果表明在一定热环境条件下,翼前缘驻点温度下降了304 K,尾部最低温度升高了130 K,实现了热流从高温区到低温区的疏导,减弱了翼前缘的热载荷,强化了翼前缘的热防护能力。通过电弧风洞试验可以获得相同的热防护结果,并且在一定飞行条件下高温热管可以自适应启动,验证了数值模拟方法的准确性以及翼前缘内置高温热管疏导式热防护结构的可行性。     

近空间高超声速飞行器气动特性研究的若干关键问题

在30$\sim$70km空域机动飞行的高超声速飞行器的优点是可以耦合利用所处空域的空气产生的升力和高速飞行的离心力进行远距离机动滑翔飞行,具有重要的实用价值.尽管过去数十年在高超声速流动研究方面取得显著进展,但在设计研究近空间远程滑翔的高超声速飞行器方面仍然存在许多挑战,特别是对特定飞行条件下的流动机理了解不清楚.本文介绍了作者研究团队在开展近空间高超声速飞行器有关的关键气动问题方面的研究进展,主要包括:建立了近空间高超声速飞行的流动模型,发展了系统的相关计算空气动力学方法,针对高空高速飞行条件下稀薄气体效应和真实气体效应的耦合作用影响研究了合适的滑移边界条件,考虑了不同组分存在条件下的温度、速度和压力的滑移效应影响;提出了飞行器气动外形的动态优化方法,获得了可工程实用化的高升阻比飞行器气动外形;建立了高速飞行器动稳定性理论,在实现高超声速飞行器动态稳定飞行方面取得重大进展;最后讨论了高超声速飞行器设计中进一步需要关注的若干关键技术和科学问题、可能解决的途径及其所涉及的学科发展方向.      

气体模型对再入飞行器气动力热环境影响的数值研究

复杂外形再入飞行器的设计,需对气动力热环境进行预测,由于不同的气体模型会对预测的结果产生影响,所以气动设计时就必须考虑这一影响.采用热化学平衡气体模型和双温度热化学非平衡气体模型对复杂外形再入飞行器的气动力热环境进行了数值计算;分析了气体模型对气动力、壁面热流等值线、驻点线平动温度、振动温度、组分质量分数等特征量的影响...     

某火箭弹标准外形引信气动加热计算

为了评估弹体飞行中产生的气动热对弹头引信的影响,采用计算流体动力学(CFD)方法对某火箭弹标准外形引信体在飞行条件下的气动加热过程进行了数值计算与分析.计算中,将获得的某火箭弹实际弹道参数进行了分段线性拟合,得到了计算域入口处的速度、温度、压强与时间的函数关系;结合分析对象的特点,采用结构化网格、远场压力边界条件、k-ε模型,利用有限体积法、耦合求解法模式、二阶迎风格式进行求解,得出了某火箭弹标准外形引信在弹道中不同时刻的温度场变化规律.计算结果与遥测试验结果的比较表明:两者变化的趋势及量值大小相吻合,两者的最大误差为13.0%,满足工程应用要求.     

基于CFD的方形截面导弹纵向虚拟飞行模拟

通过将飞行力学模型及操纵控制舵面的控制律同流体力学方程耦合求解, 能够完成基于CFD方法的虚拟飞行模拟. 通过这种方法实现了方形截面导弹的纵向虚拟飞行模拟. 着重介绍了将飞行力学方程及舵偏控制律耦合到CFD解算器中的方法, 以及用于复杂外形的需要随飞行器及舵偏一起运动的多块结构网格更新方法,研究成果未来可用于非线性条件下飞行器稳定性及控制律的检验. 完成了方形截面导弹纵向虚拟飞行模拟,包括纵向俯仰自由度的迎角保持机动和通过舵面的偏转控制飞行器迎角按照预定的变化量减小; 通过两种典型机动动作的模拟,证明发展的耦合计算方法以及所采用的配平算法可以成功地应用于虚拟飞行模拟中.      

火星探测器进入飞行气动测量方法研究

在火星探测任务的进入飞行过程中,开展气动测量将获取大量宝贵的气动特性数据,一方面可以验证进入探测器气动外形,掌握其准确的气动特性,另一方面,可以积累详实的火星大气数据,为后续任务提高落点精度等飞行性能提供支持. 本文针对火星探测器进入飞行任务,基于弹道重建和嵌入式大气数据传感系统(flushair data system, FADS),提出火星探测器进入飞行过程中的气动测量方法. 通过融合火星进入外测弹道信息,利用输出误差法实现攻角、侧滑角的高精度测量;基于嵌入式大气数据传感系统,利用最小二乘最优估计算法,建立了进入飞行动压的测量方法. 仿真分析表明,气动测量方案精度高,进入动压测量精度优于1%,攻角和侧滑角测量精度相较于当前火星探测器进入气动测量而言,至少提升1 个量级. 研究结果将为火星探测等深空探测任务的进入飞行气动测量提供技术参考.      

临近空间大气密度时空扰动规律及建模研究

大气密度是飞行器能源动力设计、飞行控制中的重要输入参数. 近年来, 多项研究发现, 对于临近空间高层大气, 常用经验模型如USSA-76, NRLMSISE-00的密度预示值偏大. 另外, 随着飞行器精细化设计趋势, 要求经验模型可预示不同纬度、昼夜和季节条件下的密度特性. 基于此, 本文利用卫星观测数据全面分析了临近空间大气密度随纬度、地方时、日期的变化规律, 包括变化模式和变化幅度. 纬度、日期引起的变化幅度大于地方时引起的变化幅度. 纬度、日期引起的密度变化在不同高度范围表现出不同模式; 变化幅度在78 km附近达最大值, 在22 km和92 km附近达局部极小值. 地方时引起的密度变化随高度递增. 根据大气密度的时空变化特性, 本文提出了临近空间大气密度的时空扰动模型, 该模型能描述临近空间大气密度及其随纬度、地方时、日期的变化规律. 与以往经验模型相比, 时空扰动模型可更好地描述不同高度下密度的时空变化规律. 在相同误差带条件下, 本文模型的置信度明显优于NRLMSISE-00. 本文建模方法合理, 模型结果对临近空间飞行器设计有应用价值.