有翼再入飞行器的超∕高超声速气动力工程方法

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1、中国空间科学技术Ch——ineseSpaceScienceandTechnology2014年6月第3期有翼再人飞行器的超／高超声速气动力工程方法郝佳傲蒋崇文高振勋李椿萱(北京航空航天大学国家计算流体力学实验室，北京100191)摘要有翼再入飞行器气动力的工程计算方法尚有待进一步完善，计算精度有待进一步提高。文章根据有翼再入飞行器的气动布局特点，改进和发展了一套适于其气动布局的部件划分策略和压强计算选取准则。以此对航天飞机轨道器和类X一34飞行器的纵向气动力特性进行工程计算，并与其风洞试验和数值模拟结果进行对比分析。结果表明，文中的工程计算方法在马赫数3以

2、上的超／高超声速范围内可准确预测有翼再入飞行器的升阻特性，其中升力系数和阻力系数误差小于10％；并可准确预测俯仰力矩特性随迎角改变的变化规律。与现有方法相比，文中的部件划分策略和压强计算选取准则在升阻特性精度相当情况下，可明显提高俯仰力矩的预测精度，并反映飞行器表面的压强分布特征。关键词气动力；工程计算方法；高超声速；超声速；有翼再入飞行器DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2014．03．0061引言高超声速飞行器大致可戈4分为有翼再入飞行器、巡航和加速飞行器与无翼再人飞行器等[1]。有翼再入飞行器发展目标为能人轨执行多种任务的可重

3、复使用航天运载器，受到了航空航天大国的极大关注。美国航天飞机轨道器、X一34和X一37B，欧洲Hermes，日本Hope—X等均为此类飞行器。在从轨道或亚轨道返回地球的过程中，有翼再入飞行器经历了高超声速、超声速、跨声速和亚声速等不同速度范围，其大多具有类似气动布局形式：大前缘半径和大后掠角机翼，普遍具有双三角翼或边条翼特点，以改善其低速性能。目前，获取高超声速飞行器气动特性的方法主要有三种Ez]：模拟飞行试验、风洞试验和计算。计算方法包括数值模拟和工程计算，其中工程计算一般结合理论分析和经验公式进行气动特性计算，特别适于概念设计和初步设计阶段。自20世纪

4、50年代中期以来，针对高超声速飞行器，出现了诸多工程计算方法，包括牛顿法、切楔(锥)法、激波／膨胀波方法等[3]。国内外发展了多套高超声速气动特性工程计算软件，如S／HABPE“、APAS：53和Shark：63等，其在飞行器初期气动数据库建立[7。8]、轨迹设计和优化E9]和飞行器气动布局优化设计等方面E10]得到了广泛应用。然而，有翼再人飞行器工程计算方法尚有待进一步完善，计算精度有待进一步提高，以适应有翼再入飞行器广阔的发展需求。本文针对有翼再人飞行器的复杂气动布局，在整合已有工程计算方法的基础上，改进和发展了一套适于有翼再入飞行器气动布局的部件划分

5、策略和压强计算选取准则，可明显提高气动力特性预测精度。利用本方法对航天飞机轨道器和类X一34飞行器在不同马赫数下的纵向气动力特性进行计算，与风洞试验和数值模拟结果进行对比分析，验证了本文方法的有效性和准确性。国家高技术研究发展计划(863—706)资助项目收稿日期：2013-10—11。收修改稿日期：201312-052014年6月中国空间科学技术2有翼再人飞行器气动力特性工程计算方法2．1超／高超声速气动力特性工程计算方法流程对于复杂布局飞行器，本文采用四边形物面单元近似描述飞行器表面，将飞行器分为头部、身部和升力面等部件。根据单元所处部件的几何特征和流

6、场特性，选取不同的压强方法计算各个单元气动力。将四边形物面单元上的气动力积分求和，获取飞行器气动力、力矩系数和表面压强系数分布等气动数据。2．2有翼再入飞行器部件划分策略气动构型导弹(ACM)[1妇的相关研究结果表明，将飞行器划分为头部、身部和升力面三个部件可提高气动特性工程预测精度。文献[12]将飞行器划分为头部、身部、机翼、迎风尾翼和遮挡尾翼。本文根据有翼再人飞行器气动布局特征，在Moore准则基础上，进一步划分了边条翼、主翼和体襟翼。头部与身部在机身最大横截直径处划分；边条翼和主翼在双三角翼前缘拐点处沿机体对称面法向方向划分；尾翼以是否受到机身遮挡划

7、分为迎风和遮挡部分，迎风尾翼如X一37B的V尾、Hermes位于翼梢的垂尾等，遮挡尾翼如大迎角下航天飞机轨道器和X一34的垂尾等。2．3有翼再入飞行器压强计算选取准则本文根据飞行器气动布局的特点，分别对不同部件选用不同的方法。迎风区的计算方法包括：修正牛顿法、切楔法、切锥法和修正Dahlem-Buck法等；背风区的方法包括：牛顿法、Prandtl—Meyer法和ACM经验公式法等。根据各个部件的几何特点和流场特性，改进和发展了适用于有翼再入飞行器的压强计算选取准则。本文的压强方法选取准则如表1所示，其中，与国内外高超声速工程计算方法大多采用的Moore准则

8、进行对比。和Moore准则相比，本文考虑到有翼再入飞行器的布局特征