近空间高速飞行器动稳定性研究

Nearcraft with high lift-to-drag ratio has very serious problem of dynamic stability, which challenges its flight safety and control during maneuvering. This induces a strong demand to establish a comprehensive stability anlysis theory and corresponding validation method for nearcraft. To satisify this increasing development demand of nearcraft, this projest aims to develop stability analysis method for multiple degree-of-freedom motions based on nonlinear dynamics, establish the coupling computational method between aerodyanmics and flight mechanics and corresponding software, and develop the forced-pitching and free-to-roll test techniques in high speed wind tunnel. Then, the stability characteristics for a classic nearcraft will be researched, including the stability criterion through nonlinear dynamic anlysis, the flow mechanism in unstable motion through aerodyanmic and flight mechanic coupling computations and the corresponding validation tests in wind tunnel. Finally, an effective theoretical analysis method will be established for coupling instability of multiple degree-of-freedom motion for supersonic nearcarft, accumulating necesaary techniques for the development of supersonic nearcarft of our country.

近空间高升阻比构型飞行器面临十分严重的动稳定性问题，对机动飞行过程中的飞行安全和操纵控制带来了严峻挑战。所以，建立完整的稳定性分析理论和验证方法非常必要。本项目直接面向近空间超声速飞行器研制需求，发展基于非线性动力学的多自由度稳定性分析方法，建立气动/飞行力学耦合一体化计算方法和计算软件，以及高速风洞强迫俯仰/自由滚转双自由度试验技术。针对典型近空间飞行器开展动稳定性研究，给出稳定性判据，采用气动/飞行力学耦合一体化数值模拟研究失稳的流动机理，并通过风洞试验进行考核验证，对近空间超声速飞行器多自由度耦合失稳问题形成有效的理论分析方法，为我国近空间超声速飞行器研制提供必要的技术储备。

充分利用高度20Km～100Km临近空间，大力发展各种临近空间飞行器已经成为当今世界各航空航天大国的一个重要趋势。近空间飞行器在大气层中的机动飞行能力、再入过程中的稳定性和操纵性以及落点精度控制等是其研制过程面临的十分严重的动稳定性问题，都需要建立相应的非线性分析理论和判据准则，建立气动/飞行力学耦合的一体化预测方法，发展新的多自由度动态试验技术进行综合评估，并结合物理分析来揭示动态现象所蕴含的机理。. 当飞行器在超声速特别在高空、高超声速飞行时，由于流动不对称小，而气动力取决于来流密度，所以对滚动力矩的影响可能不大，但这只是从气动力的影响考虑。实际上，飞行器俯仰运动会产生影响滚动的附加惯性“力矩”，且该附加“力矩”与大气的密度无关，因而在高空、高超声速飞行时会更加显现出来。美国高超声速飞行器HTV-2首飞过程中出现了超出预期的侧滑角（即俯仰引起耦合运动），引起机体翻滚超出了可控范围，从而导致飞行失败。. 本项目围绕近空间飞行器动稳定性问题开展研究，主要研究内容包括：从流动方程和飞行力学方程出发，发展了俯仰振动与自由滚转的两自由度稳定性判据理论方法，并给出了典型近空间飞行器的仿真验证结果；依据近空间飞行器可能出现的气动/运动耦合运动现象，建立了气动/运动一体化数值模拟方法，对项目组设计的近空间飞行器外形进行了数值验证，分析了俯仰与滚转耦合特性及其影响因素；突破了高超声速风洞俯仰振动与自由滚转耦合运动特性研究的试验系统设计、控制、测量和分析等关键技术，首次建立了高超声速风洞动态试验技术，研究了典型近空间飞行器模型的俯仰单自由度动态特性和俯仰/滚转耦合运动特性。. 通过上述研究，确定了俯仰与滚转双自由度稳定性判据理论方法，形成了近空间飞行器气动/运动一体化的数值模拟技术和风洞验证试验技术，进而为近空间飞行器动稳定性研究和气动/运动耦合特性及其机理研究奠定了技术基础。