高超声速飞行器气动热结构耦合问题研究

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1、试验与设备殢檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹殢檹檹檹檹檹檹檹檹高超声速飞行器气动热结构耦合问题研究檹檹檹檹檹檹檹檹殢檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹殢李昱霖刘莉陈鑫岳振江摘要回顾了超声速飞行器发展历程与现状，对近1949年2月，美国WACCorporal探空火箭第年来国外针对气动-热-结构三学科耦合问题的研究进行了一次实现了马赫数大于5的高超声速飞行，标志着总结归纳;从物理含义出发，分别对各子学科之间的相互耦人类

2、飞行器进入了高超声速飞行时代。美国航空航合关系以及各自的建模方法进行了总结;给出了计算方法天局在1960年代开展了专门针对高超声速飞行器和求解思路，总结了国外对于热气动弹性问题的研究进展;X-15试验机的研究，X-15火箭动力飞行器在最后讨论了真实气体效应对耦合问题的影响。1959—1968年完成了199项试验，取得了高超声速关键词高超声速气动热结构耦合多学科耦技术研究的巨大成功。在短暂的间歇后，20世纪80合三学科多场两域热气动弹性年代中期，美国开启了高超声速飞行器技术研究的引言新时代，提出了空天计划(NASP)。该

3、计划目标是高超声速飞行器一般是指飞行马赫数大于5，发展一种能够使用常规跑道、实现单级入轨并可以可在大气层和跨大气层实现高超声速飞行的飞行重复使用的飞行器(ＲLV)，空天计划的提出代表了器。按采用的动力装置不同，高超声速飞行器可分现代高超声速技术的开端。虽然最终由于当时技术为火箭推进高超声速飞行器(ＲPHV)和吸气式高超水平的限制而被迫取消，但也取得了一定的研究成［1］声速飞行器(ABHV)两类。早期的高超声速飞行果。器，如X-15和X-20，均以火箭发动机为动力，属于尽管上述一些项目并未成功，但出于对低成本ＲPHV。由

4、于其性能不佳，后续研究几乎没有开展。ＲLV的需求，以及美国空军对高超声速无人机的迫随着对超燃冲压发动机研究的深入，ABHV成为各切需求，高超声速技术研究热潮并未减褪。当前大航空航天大国的发展重点。ABHV包括吸气式运载量开展的高超声速飞行器研究项目也证明了各国对器(ABLV)和高超声速巡航飞行器(HCV)。ABLV高超声速飞行器及相关技术的极大重视。又称为空天飞机，主要执行入轨任务，可分为单级国外先后开展的高超声速飞行器研究项目主要入轨和多级入轨系统。HCV主要指在大气层内飞有:NASA的Hyper-X试验飞行项目，昆

5、士兰大学行、执行巡航任务的飞行器，可用作高超声速飞的Hyshot项目，NASA的高超声速航空基础研究计机、战略攻击机和巡航导弹，均采用超燃冲压发动划，美国国防预先研究计划局与美国空军联合开展机作为动力系统。的FALCON项目研究、X-51试验验证机，美国空军基金项目:国家自然科学基金(编号:11372036)本文2014-01-10收到，李昱霖、刘莉分别系北京理工大学博士生、教授·84·飞航导弹2014年第5期试验与设备研究实验室(AFＲL)与澳大利亚国防科学与技术组注，而且由于无法利用风洞缩比模型在亚声速流和联合进行

6、的高超声速飞行研究试验项目，以及超声速流中进行气动弹性和气动热弹性方面的常规［3］AFＲL正在进行的高超声速技术基础研究工作风洞试验，因而高超声速气动弹性和气动热弹性［1］等。仿真分析显得十分重要。高超声速飞行器构型多采用细长体、升力体或乘波体。其机身和控制舵面由于质量的限制往往具1物理模型有较大的结构柔度。另外，这些高超声速飞行器往目前，关于气动热结构三学科的概念比较混往具有较大的飞行马赫数包线，通常能够满足马赫乱，大多数学者直接将耦合问题称为气动-热-结构数0～15的飞行，高马赫数、大空域的特点比较突三场耦合。气动

7、热结构耦合问题的确是一个多学科出，图1给出了目前主流高超声速飞行器的飞行马问题，对该问题的分析依赖于气动、热和结构三学赫数和高度包络线。同时，为了满足吸气式推进系科的同时求解，同时这三个问题的边界条件相互关统的要求，这一类飞行器还需要能够在大气层中进联和耦合。然而实际上，气动、热和结构相互作用［2］行一段时间的高超声速飞行。在气动热与气动力的地方仅仅只在气动与结构两学科中进行，热学科的共同作用下，来流、结构、控制和推进系统之间是贯穿在气动与结构学科中同时进行的。显然将热产生了复杂的相互作用，一个十分复杂的高超声速学科与

8、气动和结构学科并列称为气动-热-结构三场飞行器气动-热-结构-推进耦合问题就随之产生了。耦合是不合适的。为了清楚地说明气动热结构耦合问题，给出清晰的定义，Michopoulos和Farhat率先提出了多场、［4］多域、多尺度的概念。其中，多场是指输入输出同时进行的物理场，包括气动场、热场、结构场和网格场;多域是指通过共同的边界条件