高超声速飞行器

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1、AerodynamicIssuesofHypersonicFlightVehicle高超声速飞行器的空气动力学问题航天学院吴鹏辉CONTANTSIntroductionDevelopmentAerodynamicIssuesConclusionAboutHypersonicAboutHypersonic关于高超声速这一概念，几乎每个人都有自己的定义。如果我们组织到场的各位进行一次类似于公众意见投票的活动，以便于了解大家关于“马赫数高于多少时，就可以被称为高超声速”这一问题的答案，或许大部分人的回答都会集中在5或6附近。然而

2、也可能有人会给出一个小至3，大至12的答案，并且会辩解称这才是合理的答案。----P.L.RoeAboutHypersonicX-51SpaceShipAircraftAboutDevelopment纳粹德国的V-2导弹的最大飞行速度约为4.8马赫，最大航程320km，于1944年服役。战后，美国利用从德国带回来的V-2导弹进行试验。1949年2月24日，试验人员用V-2作为第一级，一枚名为“WAC下士”的细长、针状火箭作为第二级进行多级火箭验证。试验中，火箭最大速度达到5000mile/h（Ma=6.568323）。这被

3、认为是人类历史上第一次高超声速飞行。AboutDevelopmentAboutDevelopment自人类完成第一次高超声速飞行以来，大量的人力、物力和财力被投入到高超声速飞行器的研究中。如美国先后发展验证的X15、X20（戴纳索）、X30、X43以及X51（乘波者）等等。除了美军，俄罗斯、法国、日本、印度、澳大利亚等国也不断展开类似的试验。他们看重的正是其诱人前景。AboutAerodynamicIssuesAboutHypersonic我们对两种不同类型的飞行器进行评估：高超声速运载器和航天器，他们的共有特点和不同之处

4、将被对比。高超声速飞行器设计最大的问题之一就是空气动力学问题。由于飞行器的速度范围非常广，设计必须满足几个经常会互相矛盾的要求。然而，我们重点关注的是减少飞行器上升段的空气阻力（以及高超声速飞机的巡航段）。左图是多种不同航天器的最大飞行速度。AboutHypersonic只要发动机动力足够强大，飞行器可以只依靠推力。无升力（弹道式）飞行器不依赖气动升力，因此造成了流线型、低阻力外形，但是它们的横向稳定性和操纵性很差。在水平发射的情况下，大升力是很有必要的。因为在飞行器的起飞和爬升段需要大升力。与垂直发射的飞行器相比，气动升

5、力减少了发动机所需的推力，但是这主要取决于飞行器的升阻比。AboutHypersonicLift对于钝的形状，例如航天飞机或类似的飞行器，高超音速空气动力学可以近似使用牛顿流动理论。使用牛顿正弦平方律，平板的升力和阻力系数可以推导为：AboutHypersonicLift近年来，有很多解决不同几何形状绕流问题的方法被发明。例如激波膨胀法。但是没有任何一种方法普遍适用于任何飞行器外形，设计师需要对各种方法的基本原理和基本假设有良好的理解。左表展示了用于估算高超音速空气动力学性能的各种压缩和膨胀方法的列表。这些方法构成SHAB

6、P软件的一部分。AboutHypersonicLift有一类被称为乘波体（WaveRider）的特殊的升力体航天飞行器。这是一种经过特殊设计的飞行器。它利用自己的冲击波产生额外的升力，以提高其升阻比。该概念由TerenceNonweiler提出。直到今天，只有波音X-51实际地验证了这种外形飞行器的飞行。乘波体的缺点是它的几何形状被优化到只能在马赫数和高度特定的组合下实现升力增加。AboutAerodynamicDrag不同于大型运载飞机的阻力中存在升力诱导阻力的显著分量，航天器的阻力主要包括基础型阻力和波阻力。我们设计的

7、目的是为了使这两个阻力分量对飞行器整个飞行任务的影响达到最小。然而由于影响因素很多，所以必须一项一项进行评估。主要包括：升阻比，推进系统性能，燃料类型，轨迹。这是高超音速飞行器概念设计的主要挑战之一。AboutStabilityandControl广速度范围的影响主要涉及升力分布的变化，气动中心位置的变化，舵面的操纵性有效性的变化和气动弹性效应。当航天飞行器从亚音速加速到高超音速时，其气动中心向后移动，从而飞行器的改变静稳定裕度和稳定特性。变后掠翼、非常规结构配置、重心平衡油箱AboutStabilityandContro

8、l从图中可以看出，舵面的操控性通常随着马赫数增加而下降，这使得飞行器在高速情况下的控制变得越来越困难。此外，随着高度的增加，大气密度减小，这使得气动翼面逐渐失效。为了解决这个问题，大多数飞行器安装有反作用控制系统，其不仅在高速下增加控制功率，而且还使得飞行器能够在大气之外进行姿态校正。AboutConc