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.     

MULTI-OBJECTIVE OPTIMIZATION AND AERODYNAMIC PERFORMANCE ANALYSIS OF THE UPPER SURFACE FOR HYPERSONIC VEHICLES

为分析小攻角巡航条件下吸气式高超声速飞行器上壁面的变化对其气动性能和容积的影响, 以参数化后的飞行器上壁面对称面型线为设计变量, 在飞行马赫数6.5, 飞行高度27 km, 飞行攻角为4°的条件下, 采用计算流体力学为性能分析工具, Pareto多目标遗传算法为优化设计方法, 开展了二维条件下的升阻比/容积双目标优化设计. 在此基础上, 选择典型的二维优化结果, 重构生成对应的三维构型并进行数值分析, 获得了飞行器气动性能和容积间的相互关系. 结果表明在巡航条件下, 尽管二维/三维条件下飞行器的气动参数数值有较大差别, 但在这2种条件下, 飞行器的升阻比和容积间的关系均近似呈线性反比例关系. 同时, 对于三维构型而言, 在给定容积不变的条件下, 通过改变上壁面对称面型线的形状仅能使升阻比获得较小的增量(约0.36%). 相比之下, 当给定升阻比基本不变的条件下, 飞行器容积可调空间相对较大, 约为1.93%. 此外, 计算结果还表明, 在飞行器的容积基本不变情况下, 通过调节上壁面对称面型线, 可使飞行器的俯仰力矩获得5%左右的调节空间, 且其升阻比基本不变.     

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.      

氨燃料吸气式变循环发动机性能分析

针对飞行马赫数0 ~ 10的宽域飞行器对吸气式动力的需求, 提出了一种以氨为燃料和冷却剂的宽域吸气式变循环发动机, 其工作模态可有3种: 涡轮模态、预冷模态和冲压模态. 首先通过对该发动机各模态热力循环过程进行建模, 计算得到发动机比推力、比冲和总效率等性能参数, 初步验证其在马赫数0 ~ 10范围内工作的可行性; 然后, 选取甲烷和正癸烷为低温低密度和煤油类碳氢燃料的典型代表, 对比各模态下氨与碳氢燃料发动机的性能差异. 结果表明, 由于氨突出的当量总热沉和当量热值, 飞行马赫数3 ~ 5的预冷模态发动机性能各指标均优于碳氢燃料. 在涡轮模态和冲压模态下, 氨燃料发动机比冲较低, 但比推力和总效率优于碳氢燃料; 最后, 对比分析各类燃料马赫数0 ~ 10宽域工作特性, 发现氨预冷可以显著提升发动机比推力, 特别在高马赫数范围, 再生冷却通道内氨可发生裂解反应大量吸热并分解为氢气和氮气, 会进一步提升发动机比推力和比冲, 且不会堵塞冷却通道, 因此可胜任飞行马赫数0 ~ 10的宽范围飞行需求. 而煤油类碳氢燃料受限于比推力低和裂解结焦问题, 最高工作马赫数难以超过8. 本文提出的氨燃料吸气式变循环发动机, 当量冷却能力强且比推力高, 适合用于二级入轨飞行器的一级动力、高马赫数宽域吸气式飞行以及未来高超声速民航等场景.      

一种火箭动力助飞高超声速飞行器轨迹优化设计方法

为提升高超声速飞行器的射程和飞行性能,提出一种基于气动力与火箭发动机推力混合控制的轨迹优化设计方法。针对高超声速飞行器再入阶段的混合控制轨迹优化问题,提出求解多段不同特征轨迹的分段高斯伪谱法,将多段最优控制问题转化为非线性规划问题。采用SQP算法对其进行求解,获取以最大射程为性能指标的飞行器轨迹优化方法,并以此研究火箭发动机在有限燃料、适当启动条件下单次和多次启动对飞行轨迹的影响。数值仿真结果表明,分段高斯伪谱法可较快速求解出火箭动力助飞高超声速飞行器最优轨迹,发动机单次启动和多次启动方案能够在不同方面改善飞行器性能。     

基于实验设计方法的高超声速飞机前缘型线优化分析

为探索前缘线变化对吸气式高超声速飞机气动性能的影响,基于一种旁侧进气布局翼身融合体构型,在飞行马赫数6,攻角4°和高度26 km的巡航飞行条件下,结合运用增量修正参数化设计方法、均匀实验设计方法和计算流体力学模拟,分析了飞行器前缘型线与其升阻力系数及纵向压心等性能参数间的关系.计算结果表明,前缘线形状对飞行器升阻力系数明显高于其对纵向压心影响,设计空间范围内升力系数变化约21.3%,阻力系数变化约31.8%,升阻比变化范围约10.63%,但相对压心变化范围仅为3.87%.在此基础上,通过对典型构型物面压力分布进行分析,发现前缘线形状适当弯曲可利用飞行器下表面侧壁压缩产生的高压气流,利用二者的耦合效应使飞行器获得额外的升力增量.      

可变形飞行器新概念升阻特性分析

飞行器的变形方式可分为三大类:局部小变形、中等变形和大尺度变形.针对大尺度变形,提出了两种可变形概念:变前掠翼布局和可伸缩翼布局.通过数值方法计算分析了不同变形外形在不同马赫数下的升力、阻力和升阻特性,从中总结出适合于各个速度段的能够获得最大升阻比的最佳变形方式.结果表明:大尺度变形能够显著改变飞行器的升阻特性,使可变形飞行器能适应较广范围飞行条件的变化,因而在全飞行周期中比传统的固定外形飞行器具有更优的性能.     

乘波构形和乘波飞行器研究综述

乘波构形的特点是高升阻比,下表面上的流动是均匀的,因此是推进系统/机身一体化设计的理想候选构形.乘波飞行器是源于乘波构形的高超音速飞行器,利用了乘波构形的高升阻比,并可为吸气发动机提供已知的均匀流场.本文比较全面地总结了乘波构形的生成方法和乘波飞行器的设计方法,介绍了乘波构形的优化方法及影响因素,给出了优化的乘波构形, 并介绍了乘波飞行器的研究进展,提出了今后的研究重点.      

基于强化学习的冲压发动机飞行器爬升段轨迹优化控制

冲压发动机飞行器爬升过程中发动机性能随飞行状态时变,且易受动力性能偏差、气动偏差和风干扰的耦合影响,传统的方法难以给出能量最优的爬升段轨迹解.针对该问题,提出了一种基于强化学习的轨迹优化控制方法.首先构建了基于近端策略优化(PPO)的强化学习任务模型,将轨迹优化问题转化为基于状态给出最优动作策略的强化学习问题,提出了对...     

基于分布式合成双射流的飞行器无舵面三轴姿态控制飞行试验

将自主可控的合成双射流激励器集成于常规布局飞行器中, 进行了三轴无舵面控制飞行试验, 验证了分布式合成双射流对飞行器巡航时的无舵面姿态调控能力. 对合成双射流激励器进行改进, 设计了分布式三轴姿态控制合成双射流激励器, 滚转环量控制激励器分别安装于两侧机翼翼尖处后缘, 射流出口靠近压力面; 偏航反向合成双射流控制激励器分别安装于靠近两侧机翼翼尖20%弦长处, 上、下沿展向均匀布置; 俯仰环量控制激励器安装于V尾下的平尾后缘, 射流出口靠近压力面. 针对巡航速度为30 m/s的飞行器, 进行了三轴姿态控制飞行试验, 结果表明: 分布式合成双射流实现了飞行器巡航时的三轴无舵面姿态操控; 横航向控制存在耦合, 滚转环量控制激励器实现了飞行器的双向滚转操控, 能产生的最大滚转角速度达16.87°/s, 偏航反向合成双射流控制激励器实现了飞行器的双向偏航操控, 能产生的最大偏航角速度达9.09°/s; 俯仰环量控制激励器实现了飞行器的纵向控制, 能产生的最大俯仰角速度达7.68°/s.      

Optimal speed of hypersonic cruise flight

A coupling frame of speed gain and maintain was suggested to assess the flight performance of hypersonic cruise vehicles (HCV). The optimal cruise speed was obtained by analyzing the flight performance measured by the ratio of initial boost mass to generalized payload. The performance of HCVs based on rockets and air-breathing ramjets was studied and compared to that of a minimum-energy ballistic trajectory under a certain flight distance. It is concluded that rocket-based HCVs flying at the optimal speed are a very competitive choice at the current stage.     

竖向载荷对半刚性连接钢框架抗震性能的影响

利用拟动力试验对T 型钢半刚性连接钢框架在2 种地震峰值加速度下的抗震性能进行研究, 并对比分析了钢框架在柱顶施加竖向载荷和无竖向载荷等2 种工况下的应变、位移和载荷变化, 以及载荷-位移滞回曲线. 结果表明: T 型钢半刚性连接钢框架具有较好的变形能力, 滞回性能良好, 抗震能力较强, 且随着地震作用的增大, 钢框架的动力反应增大; 竖向载荷对钢框架的层间位移反应影响较大, 而对节点区域的应变和层间载荷的影响较小.     

中国古建筑木结构力学研究进展

中国古建筑木结构是我国乃至世界的宝贵文化遗产, 也是中华文明的重要组成部分. 随着时间的延续, 对这些价值连城、失而不可复得的历史文物的保护日益迫切. 本文从古木结构的木材力学性能、关键节点(斗栱、梁柱节点和柱脚节点) 受力机理、木构架整体受力性能研究、结构残损勘查、安全评估及修缮加固等方面, 总结了近30 年来结构学者对古代木结构建筑的研究进展, 以期为今后进行古木建筑的结构研究提供参考.      

基于遗传算法的抗震钢框架多目标优化设计

考虑抗震钢框架优化问题具有多目标的特点,在遗传算法的基础上对抗震钢框架多目 标优化设计进行了探讨. 在无约束Pareto排序遗传算法的基础上,提出了一个简单、实用 而又可以避免采用罚函数的全新排序方法,在此基础上形成了一种求解有约束多目标优化 问题的Pareto遗传算法(CMOPGA), 并给出了具体的算法流程图. 以钢框架重量最轻和结构 总动应变能最小为目标,基于相关的设计规范,给出了抗震钢框架多目标优化问题的一种合 理提法. 采用CMOPGA对一个两跨六层抗震钢框架实例进行了多目标优化设计,并提出了一 个在Pareto最优解集的基础上选取妥协解的相对最小距离妥协原则. 算例结果表明,采用 CMOPGA求解抗震钢框架多目标优化问题是可行和有效的.     

基于GPS伪距单差的舰船相对导航方法

为了测量编队航行中的舰船相对位置信息,从而进行相对导航,研究采用GPS卫星的伪距信息,通过编队通信链,交换目标船和跟踪船的观测到相同卫星的伪距信息,进行伪距单差差分。以伪距差分信息作为观测量,以跟踪船相对目标船的位置信息作为状态量,建立了跟踪船相对目标船的位置信息解算模型,利用最小二乘法解算跟踪船相对目标船的位置信息,以满足编队舰船间的相对导航信息需求。将相对位置信息解算模型和方法应用于实测试验,数据处理结果表明,相对距离测量精度优于0.2 m,方位精度优于5°,相对距离信息完全满足了舰船相对导航的需求,相对方位信息基本满足舰船相对导航的需求。     

液浮陀螺仪框架结构刚度特性的研究

本文用有限元数值计算方法对引起液浮陀螺仪 b2 项漂移的陀螺仪框架结构 X、Y方向的刚度特性进行了分析 ,给出了三类框架模型在不同载荷作用下所表现出来的柔度特性 ,并对陀螺仪框架进行了结构优化 ,其结果为陀螺仪的改进设计提供了重要的参考依据     

ENERGY-BASED PROGRESSIVE COLLAPSE RESISTANCE ANALYSIS OF STEEL FRAME STRUCTURES WITH SEMI-RIGID CONNECTIONS1)

为研究半刚性钢框架结构的抗连续倒塌能力,基于能量法推导半刚性钢框架在连续倒塌工况下的抗力-位移曲线,得到各倒塌阶段的抗力表达式,从小变形状态下的梁机制和大变形状态下的悬链线机制分阶段研究半刚性钢框架结构的抗力性能;通过与已有试验的数据结果对比分析,验证了理论公式的可靠性.结果表明：提出的半刚性钢框架的连续倒塌抗力表达式计算过程简单,结果可靠,可实现对结构连续倒塌抗力的快速分析,为相关设计提供了依据.     

风速对室内气流分布影响的数值仿真

对低温空调系统送风特性进行了研究,着重于低温送风空气流动状况及其对室内环境的影响.以某一典型的空调房间为研究目标,利用计算流体动力学(CFD),研究在低温送风条件下,室内气流组织的分布状况.通过建立合理的数学模型进行数值模拟,运用试验手段验证了模拟结果的可靠性,得到几种送风速度下的室内气流速度场与温度场的计算结果.经过分析,确定该空调室的送风速度范围与最佳值.最后得出每一种低温送风系统对应着一定的送风速度范围的结论.     

考虑中性层位置变化的微悬臂梁气体传感器静态模型的分析

微悬臂梁是一种高灵敏度的生化传感器。本文考虑吸附表面应力引起的中性层位置的变化,采用能量法建立了微悬臂梁在单层分子吸附稳定后的静态弯曲模型,并以表面吸附有水蒸汽分子的微悬臂梁为例,研究了微悬臂梁曲率半径随其厚度、杨氏模量及吸附分子间距的变化规律以及中性层位置变化对微悬臂梁传感器性能预测的影响,结果发现：1)微悬臂梁的曲率半径与其杨氏模量、厚度及吸附分子间距之间可以近似用一次、二次和八次函数关系表示;2）中性层变化导致的曲率半径计算误差,随着微悬臂梁厚度、杨氏模量的增加而减小,但影响较小,而吸附分子间距会对该相对误差产生明显影响;3）中性层位置变化会对微悬臂梁传感器灵敏度和表面应变预测产生明显的影响。     

几种典型钢框架节点连接性能的有限元仿真分析

采用有限元程序ABAQUS进行仿真分析,探讨了钢框架节点的非线性连接性能。针对几种典型节点,包括焊接连接、外伸式端板螺栓连接、平齐式端板螺栓连接、双腹板顶底角钢连接等,分别建立了相应的精化有限元分析模型,实现了结构非线性行为的真实再现和连接性能的准确评估。数值结果还给出了钢框架节点的弯矩-相对转角、弯矩-剪切转角及弯矩-节点转角三种关系曲线,并针对弯矩-节点转角曲线进行了回归分析,从而得到了四种钢框架节点的弯矩-节点转角关系式。建立的有限元分析模型可真实地模拟钢框架节点的非线性行为,分析得到了半刚性节点弯矩-转角关系的一般规律,可为钢框架梁柱连接节点的计算理论和设计方法提供重要参考和依据。