高超声速飞行器气动防热新概念研究

传统乘波构型的高超声速飞行器尖锐的前缘存在严重的气动加热问题,而简单的前缘钝化气动防热方法由于造成很大的升阻比损失,难以发挥实质性作用. 引入``人工钝前缘(ABLE)'概念,拟以一种新的思路解决这一矛盾. 通过定义ABLE构型的外形参数,并采用CFD数值计算方法研究了各参数对气动力和气动热特性的影响规律,在流场分析的基础上进行了外形优化,最终得到令人满意的新型高超声速飞行器头部外形,总结了运用ABLE概念进行气动防热的相关设计原则和规律.      

电子发汗冷却技术及其研究进展

电子发汗冷却是一种新型的高超声速主动热防护技术,利用材料的热电子发射效应,通过热电子将热载荷转移至流场下游,降低了尖前缘结构热流密度峰值和梯度,为高超飞行器尖前缘结构热防护系统设计提供了新的思路.作为一种潜在的冷却技术,文章主要介绍了电子发汗冷却的工作原理、技术特点,综述了国内外相关研究进展,并对未来发展需解决的关键问题进行了讨论.     

高超声速风洞发展述评

国外高超声速风洞的发展现状风洞是研究气体和物体相互作用的地面模拟设备,为了在实验段得到高超声速而不使气体冷凝,必须在喷管前对气体加压和加热,高超声速风洞的型式很多,其差别就在于压缩和加热气体的物理过程不同,从而造成了气流参数和工作时间的不同.要提高参数,工作时间就要缩短.但测试的困难又要求有一定的工作时间.这两方面的协调是高超声速风洞发展中的重要问题.     

高超声速自适应激波针数值研究

针对传统的与钝体轴线共线安装的固定式激波针方法在有攻角状态所存在的问题, 在前人工作基础上得到一种新型高超声速飞行器减阻/降热方法------自适应激波针方法. 将该方法应用于三维高超声速轴对称钝锥外形以及扁平楔外形, 并采用数值模拟的方法对其进行了概念验证. 在0○~120○攻角范围内, 对不同L/D参数的激波针外形流场以及前缘壁面的压力、热流分布等进行了对比分析. 结果表明, 这种新型自适应激波针方法无论在无攻角还是有攻角状态, 均可有效降低高超声速飞行器头部壁面的压力和热流, 可以有效解决传统激波针方法在较大攻角情况状态下失效的问题.      

高超声速飞行器控制研究综述

高超声速飞行器控制研究主要讨论吸气式高超声速飞行器巡航控制问题和无动力高超声速飞行器返回再入控制问题.吸气式的高超声速飞行器主要针对于两种构型:锥体加速器构型和X-30构型,无动力高超声速飞行器主要考虑X-33和X-38构型.分别对锥体加速器构型、X-30构型和再入模式的动力学模型和控制进行了综述,并指出了近来高超声速飞行器控制研究的热点问题.      

轻质多孔材料研究进展

高超声速武器是军事装备的发展方向,在未来战争中起着重要作用.轻质材料是高超声速飞行器设计与制造的关键技术之一,它是实现高超声速飞行器高超声速、高机动性、远程打击等性能的基础和保障.高超声速飞行器轻质材料主要有蜂窝材料、泡沫金属材料、点阵材料.这些材料具有超轻、高比强、高比刚度、高强韧、高能量吸收等优良机械性能,以及减震、散热、吸声、电磁屏蔽等特殊性质,它兼具功能和结构双重作用,是一种性能优异的多功能材料.本文从材料制备、结构设计、力学与物理性能表征等方面综述了高超声速飞行器轻质材料的研究与应用现状,比较了三种轻质材料的机械和物理性能,重点评述了新型点阵材料的制备工艺、结构构型、力学及其他性能,指出了其发展趋势.     

上下反翼对双后掠乘波体低速特性的影响

相比于传统乘波体外形, 双后掠乘波体在保持高超声速良好性能的条件下能够提升乘波体低速气动性能, 但其仍存在低速稳定性不好等缺陷. 本文从密切锥乘波体理论提出给定前缘型线的乘波体设计方法, 通过给定三维前缘型线分别生成具有相同平面投影形状的上反和下反机翼双后掠乘波体. 使用CFD技术评估不同上下反程度外翼乘波体的低速性能, 分析升阻特性以及流场涡结构特点. 选取稳定性判据, 研究上下反翼对纵向和横侧向稳定性的影响. 结果表明, 机翼上下反对乘波体低速升阻特性影响较小; 不同外形均为纵向静不稳定的, 且俯仰力矩变化趋势比较类似, 机翼下反可使气动焦点位置后移, 提升纵向稳定性; 机翼上反有助于提升乘波体的横向静稳定性, 而下反则会下降; 机翼上反可以提升侧向稳定性, 且上反程度越大提升效果越明显; 同时机翼上反使乘波体的偏航动态稳定性有明显提升, 下反则会降低, 影响程度与机翼上下反程度呈正相关. 通过结果分析, 说明通过机翼上下反改善乘波体低速稳定性是可行的, 为乘波体在宽速域高超声速飞行器中的应用拓展了途径.      

高超声速飞行器两类典型防热材料的性能表征与评价

针对高超声速飞行器翼前缘用超高温陶瓷材料及机身大面积金属热防护结构材料在高温环境下的力学响应分析与评价方法进行了全面的回顾和总结.综述了大面积金属热防护系统在传热、静力学、热力耦合性能、疲劳性能及抗冲击性能等方面国内外的研究进展;以及超高温陶瓷材料在热冲击、增韧机制、抗氧化性能等方面评价与表征技术,并结合国内研究状况展望了今后的发展方向.      

微动对LY12CZ铝合金材料疲劳寿命的影响

选用航空铝合金材料LY12CZ为研究对象,以试验为基础,研究了微动对其疲劳寿命的影响.结果表明:在相同的循环应力下,LY12CZ铝合金的微动疲劳寿命比常规疲劳寿命大大降低,最大降幅达到了55%;对于受微动影响的结构,疲劳裂纹形成阶段时间非常短,其寿命只占整个疲劳寿命的15%～20%;微动疲劳裂纹扩展寿命随接触压力、参数Q/fP的增加而降低,随压头曲率半径的增加而增加,而扩展寿命与总寿命的比值Np/Nt随接触压力、参数Q/fP的增加而增加,随压头曲率半径的增加而降低,且参数Q/fP对Np/Nt的影响最大,压头曲率半径最小,接触压力介于二者之间.     

考虑材料物性热效应飞行器声振耦合动态特性分析

高超声速飞行器服役时严重的气动加热会引起结构声振耦合特性发生变化,原因之一是高温改变了材料物性.本文以高超声速飞行器X43A为例,根据飞行器结构各部分的材料物性随温度的变化规律,对材料物性热效应对声振耦合特性产生的影响进行研究.结果表明,高温引起的结构固有频率降低导致声振耦合特性的结构加速度响应峰值发生改变及位置漂移;其分布云图与室温环境相似振型对应频率处的云图具有相似性.内声场模态频率不发生改变,相应的响应峰值有所改变而位置未发生改变;在结构类似振型频率处和声场相同频率处,高温改变了内声场声压的分布,可能出现分布相似或反转现象.     

乘波体压缩面变化对其气动性能影响分析

乘波体是一种利用激波包裹特性获得高升阻比的高速飞行器构型.已有研究中,乘波体气动性能的改善主要依赖于给定源流场条件下的前缘型线优化.本文采用数值优化和计算流体力学模拟为主要手段分析了乘波体压缩面变化对其气动性能的影响,以期有效拓展乘波体的设计空间.主要内容如下:首先给出了一种基于表面局部变形的乘波体设计方法.其次结合运用增量修正参数化方法、计算流体力学分析和微分演化算法构造了乘波体压缩面外形气动优化设计流程,以一种椭圆锥形流场生成的乘波体作为基准构型开展了无黏优化.之后从优化结果中选择升阻比递增的6个典型构型进行前缘钝化处理后,基于N-S方程对其气动性能进行了评估.最后综合依据无黏/黏性计算结果分析了乘波体压缩面变化对其气动性能的影响.结果表明该部分形状的改变对乘波体气动性能影响十分明显,在升力面积不变的条件下,乘波体压缩面形状变化可导致其升阻比出现成倍变化,即使在升力不减条件下,升阻比较基准构型也可获得超过14%的提升.此外,还可导致乘波体相对压心系数出现明显偏移.     

HEAT-PIPE-COOLED THERMAL PROTECTION FOR THE LEADING EDGE OF THE WING

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304K，尾部最低温度升高了130K，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。     

Numerical simulation of roll forming for channel section with outer edge

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＲｏｌｌｆｏｒｍｉｎｇｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｏｆｍｅｔａｌｐｒｏｄｕｃｔｓ.Ｓｏｍｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｓｔｕｄｉｅｄｒｏｌｌｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｓ .Ｔ .Ｒ .ＷａｌｋｅｒａｎｄＲ .Ｊ.Ｐｉｃｋ[1]ｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆａｎＥＲＷｐｉｐｅｓｋｅｌｐ ,ａｎｄｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｅｔｈｏｄｔｏｃｈｅ…     

转捩位置对全动舵面热气动弹性的影响

高超声速附面层的转捩预测一直是流体力学研究中的难点,转捩前后物面的摩擦系数和传热系数会发生改变,转捩位置的不同会影响到飞行器表面热环境,进而使得飞行器的气动弹性特性发生显著变化.鉴于高超声速附面层转捩预测的不确定性,本文分析了转捩位置对高超声速全动舵面热气动弹性的影响.首先分别用层流模型和湍流模型求解N-S方程,得到气动热环境,并对气动热进行参数化;然后在不同转捩位置情况下构造出不同转捩位置的热分布模型,基于此种温度分布,结合热应力和材料属性的影响分析结构的热模态,将结构模态插值到气动网格上,采用基于CFD的当地流活塞理论进行气动弹性分析.以M=6,H=15 km的某舵面为对象进行计算,结果表明:(1)随着转捩位置向后缘移动,结构频率上升,结构颤振速度呈增大趋势,转捩位置的变化能够带来颤振临界速度最大6%的变化量;(2)当转捩位置位于舵轴附近时,结构的颤振特性变化剧烈.通过刚度特性的分解和分析发现,导致颤振特性变化的主要因素在于舵轴的刚度特性变化,舵轴的影响量占整个结构刚度特性变化量的80%以上.     

Prediction of hypersonic boundary layer transition on sharp wedge flow considering variable specific heat

When the air temperature reaches 600 K or higher, vibration is excited. The specific heat is not a constant but a function of temperature. Under this condition, the transition position of hypersonic sharp wedge boundary layer is predicted by using the improved eN method considering variable specific heat. The transition positions with different Mach numbers of oncoming flow, half wedge angles, and wall conditions are computed condition, the nearer to the Mach number The results show that for the same oncoming flow condition and wall transition positions of hypersonic sharp wedge boundary layer move much leading edge than those of the flat plate. The greater the oncoming flow the closer the transition position to the leading edge.     

给定前缘线平面形状的密切锥乘波体设计方法

乘波体因其高超声速阶段的高升阻比性能成为目前研究的热点,但其本身的诸多性能缺陷限制了其在工程中的实际应用. 密切锥乘波体设计 是目前应用较广的乘波体外形设计方法,具有较高的灵活性和生成效率. 本文以弥补乘波体性能缺陷,提高乘波体设计灵活性为目的, 拓展了密切锥乘波体设计方法,推导设计方法中激波出口型线、流线追踪起始线与平面形状轮廓线之间的几何关系,并使用一个微分方程 组给出了具体的数学表达,奠定了定平面形状乘波体设计的理论基础. 通过介绍此微分方程组的数值求解过程,并分析应用此关系的注意 事项,本文提出了给定前缘线平面形状的密切锥乘波体设计方法. 根据此设计几何关系,以渐变前缘、弯曲前缘和双后掠等为例生成定平 面形状乘波体外形,结合计算流体力学方法分析这几类外形的流场,通过流场分布与设计曲线的比较,说明通过此方法设计得到的乘波体 外形保持了高超声速状态的乘波特性,并可以方便的控制平面形状,为提高乘波体的设计灵活性、改善性能缺陷提供了新的途径.      

涡波一体乘波飞行器宽速域气动优化设计研究

涡波一体宽速域乘波飞行器通过在低速引入涡效应,显著改善了传统乘波体在低速状态下的升阻特性,具有在未来宽速域空天飞行器总体气动设计当中得到广泛应用的巨大潜力.但是,该设计方法的研究尚不完善,特别是在基准流场建立过程中忽略了三维效应、低速效应、黏性效应以及头部/前缘的钝化效应,因此其高低速气动特性均有优化设计的空间.针对此问题,本文结合高保真RANS求解器、自由变形参数化方法、鲁棒的结构网格变形方法、离散伴随方法以及序列二次规划算法,发展了基于离散伴随的宽速域飞行器气动优化设计方法.基于上述方法,针对涡波一体乘波飞行器开展了兼顾低速与高超声速气动性能的三维整机气动优化设计研究,获得了宽速域优化构型并对其进行了流动机理分析.结果表明,相较于初始构型,宽速域优化构型可以将飞行器高超声速状态下升阻特性略微提升的同时,显著增强低速状态飞行器背风面的旋涡效应,进而使飞行器低速状态的升力和升阻比均提升10%以上,改善了涡波一体宽速域乘波飞行器的高低速气动性能.     

Correlation of laminar-turbulent transition data over flat plates in supersonic/hypersonic flow including leading edge bluntness effects

The paper discusses flat plate boundary layer transition in supersonic/hypersonic flow conditions. Examination of experimental infrared thermography data illustrates the importance of the leading edge thickness and (non-) uniformity to the transition process. Such observations have triggered the collection of a wide range of experimental data on supersonic/hypersonic flat plate boundary layer transition, and a number of attempts to correlate this data with characteristic parameters including leading edge thickness. Results indicate a strong dependence of the relevant transition parameters on the pressure field in the transition region, as this is determined by the combined effects of leading edge thickness and boundary layer growth/viscous interaction, and particularly on the relative importance of the two effects. In fact, two distinct correlation zones are established, depending on whether the pressure distribution at the onset of transition is dominated by leading edge bluntness effects or by boundary layer growth and viscous interaction, thus limiting the observed data scatter to reasonable levels.Received: 13 August 2002, Accepted: 7 February 2003, Published online: 28 April 2003     

结构层热扩散系数对超薄涂层热力性能的影响

将非傅立叶热传导模型(用于超薄热涂层)与傅立叶热传导模型(用于结构层)相结合 求解温度场,运用有限元法求解热涂层热应力和裂纹驱动力,并分析结构层材料热扩散系数 的变化对热涂层的热力学性能(温度场、应力场和断裂性能)的影响. 研究表明,结构层材 料性能变化对温度场的影响主要表现在热冲击后期,对热应力和裂纹尖端驱动力后期的变化 也有一定的影响.