吸气式高超声速飞行器大迎角气动特性分析

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1、航空学报Jan．252015V01．36No．1223—231ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：dhkxb．buaa．edu．crlhkxb@buaaedu．CFI吸气式高超声速飞行器大迎角气动特性分析罗文莉，李道春，向锦武*北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191摘要：吸气式高超声速飞行器在飞行过程中受到大气紊流等外部干扰的作用时，飞行姿态很可能会出现大迎角情况。针对大迎角飞行时飞行器可能出现的气动问题，对一种典型吸气式高

2、超声速飞行器的流场进行了数值模拟。以雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程为控制方程，采用标准肛￡湍流模型求解，得到其流场特征和气动特性。重点针对大迎角情况，分别对整机气动特性、进气道性能和全动尾翼气动性能进行了分析，并结合流场特征作出解释。结果表明，机身和发动机之间存在气动／推进耦合现象。大迎角下飞行器的气动参数表现出非线性特性，升阻比减小，整机纵向表现为静不稳定，且不稳定性随迎角增大而增大；进气道性能在大迎角下降低，从而导致发动机推力下降，不利于发动机的正常工作，但却适当降低了整机的纵向静不稳定度；全动尾翼操纵效

3、率降低从而使得配平难度增大。关键词：吸气式；高超声速；数值模拟；大迎角；进气道；尾翼中图分类号：V211．4文献标识码：A文章编号：1000～6893(2015)0t一0223—09高超声速巡航飞行器可用作天地往返运输系统和高速导弹，具有巨大的军事价值和潜在的经济价值。根据推进系统的不同，可将其分为火箭动力高超声速飞行器(RHV)和吸气式高超声速飞行器(AHV)。其中AHV由于使用了高比冲、轻载荷的超燃冲压发动机，利用空气中的氧气作为氧化剂，因而具有结构轻、成本低等优异性能。近年来各航空航天大国都将AHV作为发展重点，对其进行了

4、广泛研究[1‘2]，其中最具代表性的是美国的Hyper—X计划口]。高超声速流动的复杂性给飞行器设计带来了极大的困难，气动问题就是其中的一个重点难题。目前国内外已开展了大量针对AHV气动特性的实验研究。Holland等n3使用美国国家航空航天局(NASA)Langley研究中心风洞试验测量出了一种X一43飞行器缩小模型在进气道闭合时的气动力参数，Fan等[53利用风洞试验研究了一种AHV进气道的边界层转捩特性。由于试验耗时长且成本高，相比之下工程算法则非常高效，因此也有众多学者采用各种工程算法进行研究。其中，Skujins等¨3

5、基于激波膨胀波法建立了一种鸭式布局AHV的气动模型，重点研究了鸭翼对尾翼的气动干扰现象，并和数值方法作了对比，其计算迎角为一1。～5。。曾开春等[7州使用激波膨胀波法结合当地流活塞理论建立了一种AHV在迎角为±5。以内的气动模型。虽然工程算法非常高效，却以牺牲精度为代价，而数值方法不仅计算精度高，且比试验方法节省了大量时间和费用，尤其是近年来随着计算机技术的快速发展，采用计算流体力学(CFD)方法进行研究存在很大的优势，国内外开展了一些关于高超声速飞行器的CFD模拟研究[1”11]。目前收稿日期：2014·06-04；退修日期：

6、2014—09—10；录用日期：2014—09—22；网络出版时间：2014—10．0913：14网络出版地址：www，cnkinet／kcms／detail／10．7527／$7000．6893．2014．0266．hfmJ基金项目：国家自然科学基金(91216102，11402014)*通讯作者．Tel：010—82338786E-mail：xiangjw@buaaedu．cn确甩蘑武

7、LuoWL，LiDC．XiangJw．Aerodynamiccharacteristicsana／ys『sofair-brea纳inghyp

8、ersonicvehiclesathighangleofattack[Jj．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2015，36(1)：223-231．罗文莉．李道春．向锦武吸气武高超声速飞行器大迎角气动特性分析￡J]．航空学报，2015．36(1)：223-231航空学报关于高超声速飞行器的CFD研究主要是针对RHV，而针对AHV的则相对较少。其中，Cui等[121设计了一种具有双进气道的AHV机身前体，指出机身前体是影响整机升阻力特性的重要部分，计算迎角为一2。～10。。Gollan和Sma

9、rtLl3]在一种锥形机身上设计了“矩形一椭圆形”过渡的进气道，表明进气道与机身前体之间存在气动干扰。Taguchi等[143计算了一种AHV的气动力，但计算时未将发动机包括在内，计算迎角为0。～10。，结果显示升力系数与迎角几乎呈线性关系。Mirmirani等