吸气式高超声速飞行器多学科动力学建模

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252015V01．36No．1346．356ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa。edu．crlhkxb@buaa．edu、crlDOI：10，7527／S1000-6893．2014．0243吸气式高超声速飞行器多学科动力学建模华如豪，叶正寅*西北工业大学翼型叶栅空气动力学国家重点实验室，西安710072摘要：高超声速飞行器一体化设计中存在气动／热／推进／结构弹性相互藕合的问题，首先根据飞行器的机体／发动机一体化设计思想构造了二维高超声速飞行器模型，并基于

2、激波／膨胀波原理和动量定理建立了气动力模型，采用Chavez和Schmidt建立的超燃冲压发动机推进系统模型；在飞行器结构方面，引入变截面和变质量分布的自由梁结构模型，并采用Eckert参考焓方法分析的气动加热过程中承力梁不同轴向位置温度随时间变化特征，在此基础上运用模态法计算了燃料消耗和气动加热条件下结构的固有频率和振型特征，获得结构弹性变形的模型；最后建立了考虑热气动弹性和推进系统作用的飞行动力学方程。研究结果表明：质量变化对结构弹性特性影响比较显著，而气动加热的影响主要表现在振动频率方面，且会随着加热过程的持续而逐渐增强；结构变形会改变飞行器静配平状态，特别是在机体质量较大的最初

3、飞行阶段，气动加热会强化结构变形对配平特征的影响；线性化系统的动力学特征分析表明，质量减小和结构变形均会增加短周期模态和振荡模态的不稳定特性，而对高度特性的影响不大，气动加热效应会进一步增加飞行力学和气动弹性的耦合特征，并导致弹性模态的稳定性降低。关键词：高超声速飞行器；气动加热；燃料消耗；热气动弹性；飞行动力学建模；动力学特征中图分类号：V211；V231．1文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)01—0346—11高超声速飞行器是目前国内外十分重视的发展方向，它不仅具有很重要的国防威慑能力，而且在将来的民用航空领域有着诱人的潜力。在学术和高技术层面上，它的发展引领着

4、一个国家航空航天的科学发展方向，标志着一个航空航天大国的水平，为此，世界各个航空航天大国都在高超声速飞行器研究方面投人大量的人力和物力。早在1950一1960年，X一15技术验证机的探索性研究和试验成果为后续高超声速飞行器的发展奠定了基础¨]，而以吸气式超燃冲压发动机为动力的高超声速飞行器已经成为未来高速飞行器的发展趋势。20世纪80～90年代美国提出并实施了NASP(NationalAero-SpacePlane)计划¨]，90年代末期Hyper—X[3

5、、Falcon[41等项目相继的开展，标志着高超声速飞行器的研究工作逐渐进入到工程预发展阶段，进入21世纪，HyFly计划和HTV

6、一2飞行器的飞行试验对超燃发动机的点火等关键技术进行了研究。与传统飞行器主要依赖机翼(弹翼)上下表面的压差产生升力不同，吸气式高超声速飞行器一般为升力体构型，翼面(包括平尾和垂尾)主要作为操纵面控制飞行器的飞行姿态。同时，吸气式高超声速飞行器往往采用机体／发动机一体化设计方法，飞行器前体作为发动机的压缩部件，机身后体则成为发动机喷管的膨胀段，这种设计理念收稿日期：2014．08．28；退修日期：2014．09—12；录用日期：2014-09．26；网络出版时间：2014—09-2917：00网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／10．7527／$1000-689

7、3．2014．0243html基金项目：国家自然科学基金(11272262，91216202)*通讯作者Tel．；029-88491374E·mail：yezy@nwpu．eduCR戮胡格武lHuaRH，YeZy．MultidisciplinarydynamicsmodelingandanalysisofagenerichypersonicvehiclefJ3ActaAeronauticaetAs—tronauticaSinica，2015．36({)：346-356．华如豪．叶正寅．吸气武高超声速飞行器多学科动力学建模CJ]．航空学报，2015．36(，)：346-356．华如豪等；

8、吸气式高超声速飞行器多学科动力学建模使得飞行器前后体的设计参数以及来流迎角等飞行参数对发动机的燃烧效率有很大影响，而发动机出口处的流动状况又会决定后体膨胀区的压力分布。因此，高超声速飞行器设计中的多学科综合问题越来越紧密，结构的微小变形，会引发其他学科的一系列问题。随着高超声速飞行器研究工作的逐渐深入，人们发现真正具有实用价值的吸气式高超声速飞行器必须极大减轻飞行器的结构重量。由于结构多采用轻质材料、多层防热结构和大型薄壁结构，结构变形呈现出越