高超声速进气道飞行器一体化设计技术的发展

对高超声速进气道与飞行器一体化设计技术和发展进行了研究,包含轴对称压缩、二维压缩、侧压以及内压缩进气道在高超声速飞行器上的典型布局设计方案.对高超声速可调进气道类型进行了概述,基于轴对称类型调节、二元平面类型调节以及三维内转调节进气道的典型案例给出了其各自的设计特点,并进一步对宽域飞行和组合动力飞行器采用的多通道可调节高超声速进气道研究进展进行了简述,最后分析了高超声速进气道设计须面对和解决的技术难题.      

二维高超声速后台阶表面传热特性实验研究

高超声速后台阶流动是大气层内高速飞行器发动机设计、表面热防护以及高超声速拦截器红外成像窗口气动光学效应校正等诸多先进高超声速技术研发过程中所涉及的一类基础流动问题. 研究高超声速后台阶流动特性对有效提升飞行器综合性能, 进一步掌握高超声速流动机理具有重大基础 意义. 本文以二维高超声速后台阶流动为研究对象, 在KD-01高超声速激波风洞中测量了二维后台阶模型表面传热系数和表面静压, 并将实测台阶下游表面传热系数分布同采用高超声速边界层理论所得估计值进行了比较. 为进一步验证实验结果, 使用NPLS技术测量了其中一种实验状态下台阶周围流动结构. 研究发现, 对于二维高超声速后台阶流动, 台阶下游表面传热分布受台阶处边界层外缘流动特性的直接影响; 在台阶下游分离区和再附区内, 气体黏性占主导作用; 在台阶下游远场区域, 边界层流动特性趋同于平板边界层; 下游边界层基本结构取决于台阶处边界层相对厚度. 对高超声速后台阶流动, 若使用数值模拟方法研究气动热问题, 应当使用湍流模型.     

组合式高超声速飞行器布局设计与优化分析

针对高超声速飞行器气动布局设计难点,文章提出了基于多个基准流场的多部件组合设计方法.以锥导乘波体为基准,采用分段接序、多片组合的高超声速可调参数的气动布局设计,将飞行器分解为前体、机翼和中心体设计.前体和机翼以乘波体为设计思路,中心体构型根据装载需求设计,从而达到飞行器在边缘能够满足压力封闭,有效容积集中在中心体附近的总体布局思路,使得飞行器各部件功能清晰化.最终实现具有"乘波特性"的高超声速巡航飞行器参数可调的布局设计.文中对比了组合布局与传统乘波体的差异,在前体不变的情况下,研究了中心体长度、长宽比和长厚比对飞行器气动性能的影响.采用自由变形技术（free-form deformation,FFD）实现了高超声速飞行器的参数化和优化设计流程.结果表明组合布局具有更高的容积效率,可实现多参数化调节,具有良好的乘波特性,可为未来提高高超声速飞行器升阻比和满足应用要求提供方案参考.      

高速面对称飞行器总体抗失控设计方法

高速面对称飞行器大空域、宽速域和大攻角变化范围的飞行特点,导致失稳模式多、稳定性差、通道耦合严重、姿控难度大等系列问题,为飞行器的总体设计带来了很大挑战.文章针对高速面对称飞行器抗失控设计难题,基于耦合稳定性与可控特性理论研究,综合考虑总体多专业设计约束,发展了飞行器总体抗失控设计方法.通过该方法,可以获得多专业参数对总体性能与稳定特性的影响规律,进而对飞行器的总体性能、稳定性与可控性进行综合优化设计.      

基于分解策略的飞行器气动隐身优化设计研究

为了综合提高飞行器的气动性能与隐身性能,文章利用基于分解策略的梯度优化方法,对某跨声速机翼进行气动隐身综合优化设计.采用Tchebycheff方法,将气动隐身多学科多目标优化问题分解为多个单目标优化子问题,再对每个单目标子问题进行梯度优化.通过求解离散伴随方程获得气动目标对设计变量的梯度,采用自动微分方法对物理光学法（physical optics,PO）程序进行微分,即可得到雷达散射截面（radar cross section,RCS）对设计变量的梯度.经过综合优化,获得优化解集中各给定权重系数对应下的分支解,相比初始机翼,优化机翼的阻力系数减小,升阻比提高,重点方位的雷达散射截面均值减小,验证了该优化设计方法具有较好的实用性.      

一种基于拓扑优化的舵面仿生多级分叉结构设计

新型面对称高速飞行器面临着宽速域、宽动压飞行条件，受到此类飞行器装载与装填比要求的限制，飞行器的主要承力结构重量较低，为了突破传统结构设计方法面临的结构减重极限，文章提出了一种基于拓扑结构轻质化的优化设计方法.该方法的主要思想为根据具体的载荷工况，在优化区域中获得最优的传力路径.通过对面对称高速飞行器的舵应用此优化方法，在多种载荷作用下，获得了多级分叉的仿生结构.通过验证计算表明设计得到的结构不仅重量减轻，还能够满足静气动弹性变形与强度要求，从而验证了此方法进行结构设计的可行性.      

跨流域高超声速绕流环境Boltzmann模型方程统一算法研究

如何准确可靠地模拟从外层空间高稀薄流到近地面连续流的航天器高超声速绕流环境与复杂流动变化机理是流体物理的前沿基础科学问题. 基于对Boltzmann方程碰撞积分的物理分析与可计算建模, 确立了可描述自由分子流到连续流区各流域不同马赫数复杂流动输运现象统一的Boltzmann模型速度分布函数方程, 发展了适于高、低不同马赫数绕流问题的离散速度坐标法和直接求解分子速度分布函数演化更新的气体动理论数值格式, 建立了模拟复杂飞行器跨流域高超声速飞行热环境绕流问题的气体动理论统一算法. 对稀薄流到连续流不同Knudsen数0.002 ≤Kn_∞ ≤1.618、不同马赫数下可重复使用卫星体再入过程(110–70 km)中高超声速绕流问题进行算法验证分析, 计算结果与典型文献的Monte Carlo直接模拟值及相关理论分析符合得较好. 研究揭示了飞行器跨流域不同高度高超声速复杂流动机理、绕流现象与气动力/热变化规律, 提出了一个通过数值求解介观Boltzmann模型方程, 可靠模拟高稀薄自由分子流到连续流跨流域高超声速气动力/热绕流特性统一算法.     

基于遗传算法的升力体外形优化设计

升力体由于低热流率再入物理特性和高效的内部容积利用率，是高超声速飞行器气动外形的一种典型布局.文章对升力体飞行器进行参数化数值建模，并提取其表征外形的参数作为设计变量，综合考虑飞行器再入过程中的气动力、气动热、容积利用率及稳定性等性能指标.运用多目标混合遗传算法对升力体进行了多变量、多约束下的气动外形优化设计，获得了再入飞行器外形的最优Pareto解.数值模拟结果表明，典型状态下最优Pareto解与CFD结果相差12%，验证了优化结果的准确性.      

高超声速类HTV2模型全目标电磁散射特性实验研究

针对临近空间高超声速飞行器目标探测与识别研究的需求,开展了高超声速飞行器非均匀等离子体电磁散射特性模拟测量研究.利用弹道靶设备发射高超声速类HTV2模型形成模拟的超高速复杂外形目标,弹道靶高精度阴影成像系统和雷达测量系统分别测量高超声速类HTV2模型姿态、全目标C波段/X波段电磁散射特性,获得了不同实验条件下模型全目标雷达散射截面积(RCS)等实验数据.研究结果表明:在不同实验状态下,包覆等离子体鞘套的高超声速类HTV2模型同一测量波段的RCS差别超过1个数量级,模型姿态角对包覆等离子体鞘套的高超声速类HTV2模型RCS影响较大,最大相差1个多数量级;在给定的实验条件下,模型尾迹C波段RCS远小于包覆等离子体鞘套的模型RCS,模型尾迹X波段RCS显著增强;高超声速类HTV2模型全目标C波段电磁散射能量主要分布在模型及其绕流区域, X波段电磁散射能量主要分布在模型及其绕流区域和等离子体尾迹区域.根据弹道靶实验条件,开展了包覆等离子体鞘套的高超声速类HTV2模型电磁散射特性数值仿真,仿真结果与实验结果之间的最大误差小于4 d B,验证了本文提出的非均匀等离子体包覆目标电磁散射特性建模方法的...     

飞艇红外探测系统探测高超声速目标性能研究

以X-51A为例,研究了飞艇红外探测系统对临近空间高超声速目标的探测性能。首先,根据飞行器的飞行状态和飞行高度建立了临近空间高超声速目标不同波段的红外辐射特性模型,以及随高度变化的目标背景红外辐射强度模型;其次,综合考虑飞行器与飞艇高度、地球曲率及红外辐射在大气中传播的波段选择性等因素,建立了红外辐射在临近空间大气中传播的透过率模型;在此基础上,建立了飞艇红外探测系统对高超声速目标的探测距离模型。通过仿真得到了临近空间高超声速目标在不同飞行状态下3个波段的红外辐射强度随目标飞行高度变化的曲线,以及飞艇红外探测系统对飞行器在不同飞行状态下3个红外辐射波段的探测能力。研究结果表明:飞艇红外探测系统对高超声速目标的有效探测距离可以达到百公里量级;当飞行器飞行状态一定时,随着飞行器飞行高度的增加,系统对目标的探测距离先增大后减小;与长波波段相比,中短波波段的探测距离更大,并给出了临近空间飞艇应尽量布置在海拔高度大于18 km的高空中的部署建议。     

基于Ludwieg管的高超声速边界层转捩实验

高超声速边界层层/湍流转捩是高超声速飞行器气动力和气动热设计中的难点和热点问题.为了降低开展高超声速边界层不稳定性与转捩实验研究的门槛,研究基于Ludwieg管原理设计并建造了一座Mach 6高超声速管风洞,重点对Ludwieg管风洞的启动和运行过程开展了数值模拟,分析了储气段弯管布局对试验段流场的影响;之后,对该高超声速风洞的自由来流品质进行了静态和动态的标定,验证了风洞的设计Mach数,并给出了流场的动态扰动特征;最后,基于7°半张角尖锥标模开展了高超声速边界层转捩实验,通过表面齐平式安装的高频PCB传感器获得边界层不稳定波,分析了高超声速边界层不稳定波的演化特征.以上工作表明,Ludwieg管相对常规高超声速风洞具有建设和运行成本低、运行效率高、流场品质好等优点,适合开展高超声速边界层转捩等基础实验研究.      

基于神经网络的翼型气动力计算和反设计方法

开展了机器学习在翼型气动力计算和反设计方法中的应用研究,实现了在更大翼型空间范围内,人工神经网络的训练和优化,建立了翼型气动力计算模型,和给定目标压力分布的翼型反设计优化模型.作为机器学习领域兴起的研究热点,人工神经网络的研究工作不断深入,有研究者尝试将其应用于流体力学的学科范畴内.文章实现人工神经网络在翼型计算领域中应用的方法如下:首先通过Parsec参数化方法,围绕基准翼型构造了一定翼型空间范围的翼型库,利用XFOIL进行数值模拟,搭建了和翼型库具有一一映射关系的流场信息库.通过训练和优化神经网络,实现了基于此模型的快速、高可信度的翼型气动力预测,以及新型的翼型优化设计方法.通过自动化编程实现样本库的批量生成,实现了不同翼型空间的样本量下,神经网络的训练和优化过程.实验结果表明,在机器学习领域中,基于神经网络的翼型反设计模型的精确性高度依赖于训练样本量的大小和覆盖范围.      

振荡射流改善翼型气动性能的实验研究

本文针对采用振荡射流控制流动分离改善大攻角下翼型气动特性的问题,在NACA0015翼型上进行了多种工况的风洞实验。结果表明:在失速攻角附近,振荡射流抑制流动分离提高翼型升力系数的作用十分明显,可将翼型失速攻角推迟2°左右。存在最佳的振荡射流频率段、射流动量范围和射流位置,使得翼型性能的改善最大。实验还得到了振荡射流的频率、动量和施加位置等参数对翼型气动性能的影响规律。     

高速受限混合层结构和效应实验研究

受限混合层的流动主要是喷流与自由来流相互剪切形成的混合层受到壁面的限制而形成的一种流动.文章采用后向台阶平板模型研究了高速高压比条件下的受限混合层的典型流场结构以及冷却效率.实验自由来流Mach数为5, 喷流的Mach数为1.28, 喷流总压为0.2~0.7 MPa, 通过调整冷喷气流的总压, 基于纹影流动显.形成喷口附近波系的欠膨胀流动现象的深刻认识, 提取波系特征与流动参数之间的规律.基于流动显示及实验测量结果, 通过分析流场中大尺度结构的空间演化规律, 揭示流动参数对于冷却效率的影响规律及物理内涵.采用快响应压敏漆(FRPSP)技术在高超声速风洞开展热流分布和冷却效率研究, 获得了平板对受限混合层冷却效率的影响.      

Aerodynamic design optimization by using a continuous adjoint method

This paper presents the fundamentals of a continuous adjoint method and the applications of this method to the aerodynamic design optimization of both external and internal flows.General formulation of the continuous adjoint equations and the corresponding boundary conditions are derived.With the adjoint method,the complete gradient information needed in the design optimization can be obtained by solving the governing flow equations and the corresponding adjoint equations only once for each cost function,regardless of the number of design parameters.An inverse design of airfoil is firstly performed to study the accuracy of the adjoint gradient and the effectiveness of the adjoint method as an inverse design method.Then the method is used to perform a series of single and multiple point design optimization problems involving the drag reduction of airfoil,wing,and wing-body configuration,and the aerodynamic performance improvement of turbine and compressor blade rows.The results demonstrate that the continuous adjoint method can efficiently and significantly improve the aerodynamic performance of the design in a shape optimization problem.     

Wavelet Cross-Spectrum Analysis of Multi-Scale Disturbance Instability and Transition on Sharp Cone Hypersonic Boundary Layer

Experimental measurement of hypersonic boundary layer stability and transition on a sharp cone with a half angle of 5° is carried out at free-coming stream Mach number 6 in a hypersonic wind tunnel. Mean andfluctuation surface-thermal-flux characteristics of the hypersonic boundary layer flow are measured by Pt-thin-film thermocouple temperature sensors installed at 28 stations on the cone surface along longitudinal direction. At hypersonic speeds, the dominant flow instabilities demonstrate that the growth rate of the second mode tends to exceed that of the low-frequency mode. Wavelet-based cross-spectrum technique is introduced to obtain the multi-scale cross-spectral characteristics of the fluctuating signals in thefrequency range of the second mode. Nonlinear interactions both of the second mode disturbance and the first mode disturbance are demonstrated to be dominant instabilities in the initial stage of laminar-turbulence transition for hypersonic shear flow.     

5kW遮蔽-增速升力型垂直轴风力机优化设计

本文详细介绍了5 kW遮蔽-增速垂直轴风力机的结构特点及主要参数。利用正交优化设计方法,采用计算流体力学软件,针对5 kW风力机,在叶片个数和遮蔽板安装位置半径一定的情况下,对翼型弦长、叶片转动扫掠面的半径、风轮旋转速度、遮蔽-增速板个数、遮蔽-增速板与叶片间的气动间隙以及遮蔽-增速板的安装角六个参数进行优化计算,找出一组最佳设计参数,进而设计出5 kW遮蔽-增速升力型垂直轴风力机,并对设计出的有遮蔽板与无遮蔽板两类型风力机的变工况特性进行比较分析。     

全腔输出半透明阴极相对论磁控管的结构改进和性能提升

对全腔输出半透明阴极相对论磁控管做了进一步的改进,并对其进行了物理分析和三维全电磁粒子模拟研究。通过半透明阴极结构的改进,即改变阴极角向方位和阴极发射面高度参差设计以及局部参数优化,使得在较宽的工作参数范围内,器件起振初期可能出现的模式竞争得到抑制,起振时间进一步缩短,同时输出效率得到较大提高。在注入电子束电压和电流分别约为518 kV和4.1 kA、外加磁场为0.575 T时,模拟在S波段获得了效率大于66%、功率约1.42 GW的微波输出。同时还给出了电子束电压和外加磁场等参数在一定范围内变化时对输出性能的影响规律。研究结果可应用于高效紧凑型相对论磁控管的实验研究。     

Bifurcation and chaos analysis for aeroelastic airfoil with freeplay structural nonlinearity in pitch

The dynamics character of a two degree-of-freedom aeroelastic airfoil with combined freeplay and cubic stiffness nonlinearities in pitch submitted to supersonic and hypersonic flow has been gaining significant attention. The Poincaré mapping method and Floquet theory are adopted to analyse the limit cycle oscillation flutter and chaotic motion of this system. The result shows that the limit cycle oscillation flutter can be accurately predicted by the Floquet multiplier. The phase trajectories of both the pitch and plunge motion are obtained and the results show that the plunge motion is much more complex than the pitch motion. It is also proved that initial conditions have important influences on the dynamics character of the airfoil system. In a certain range of airspeed and with the same system parameters, the stable limit cycle oscillation, chaotic and multi-periodic motions can be detected under different initial conditions. The figure of the Poincaré section also approves the previous conclusion.