近空间高超声速高升阻比布局飞行器动稳定性研究

The hypersonic applications are turning from rapid space re-entry into long-endurance hypersonic cruise in atmosphere. The corresponding aerodynamic layout is also turning from large blunt-head configurations with low lift-to-drag ratio into configurations with high lift-to-drag ratio. However, the research on the dynamic stability of this type of configuration has not been started yet. In order to full fill the needs of analyses for near-space long-endurance high maneuver hypersonic flight, the project is about to build appropriate CFD- based engineering unsteady aerodynamic model and Reduced-Order-Model basing on the researches on the hypersonic flow characters of large gradient of moisture layer, strong adhesive interference, and shock / boundary layer interference. With the new unsteady aerodynamic models, an efficient unsteady aerodynamic prediction system will be built. coupled with 6 DOF rigid body dynamic equations, the departure susceptibility criteria will be analyzed. coupling with control system and aerodynamic control surfaces, the departure susceptibility criteria of the closed-loop system will be studied. Shock tunnel freeflight test will be performed in order to verify the numerical analyses.

目前我们面临着由空间快速再入到大气层中长航时高超声速飞行的转变，气动布局也由大钝头低升阻比布局转化为高升阻比复杂布局，目前国内对这类布局的动稳定性研究还未开展起来。针对近空间高超声速长航时大机动飞行面临的工程科学问题，开展该飞行条件下大梯度墒层、强粘性干扰和激波/边界层干扰等复杂流动现象的基础研究，以此为依据，建立一种相适应的基于CFD的非定常气动力工程模型，同时在CFD/RBD耦合系统的基础上，开展气动力降阶方法研究。通过上述两种途径，建立满足宽速域、宽空域高升阻比复杂外形工程需求的高效非定常气动力工程计算理论体系和软件平台。利用上述理论和计算平台，开展耦合系统失稳敏感性分析。进而结合控制系统和气动操纵，开展闭环耦合系统的失稳敏感性研究。针对典型高升阻比外形，开展激波风洞自由飞实验，对上述理论进行验证。

目前高超声速飞行正面临着由空间快速再入到大气层中长航时高速飞行的转变，气动布局也由大钝头布局转化为高升阻比复杂布局，其动态耦合特性是我们在理论和实践中没有遇到的新的工程科学问题。在本项目中，我们开展了适用于强粘性干扰问题的高效高精度非定常气动力建模研究，并建立了满足宽速域、宽空域高升阻比复杂外形工程需求的高效非定常气动力与动稳定性计算理论体系和软件平台。针对我国高超声速飞行器在飞行试验中所暴露出来的安定面严重烧蚀问题，我们建立了不依靠安定面实现静稳定性的乘波布局设计理论基础和技术途径；提出了适用于强粘性干扰的高超声速非定常气动力工程模型（粘性修正当地流活塞理论，VLPT），发展了基于“非均匀分层采样”的非定常气动力代理-降阶模型，以及基于参数敏感性的自适应采样代理-降阶模型；基于VLPT和降阶模型发展了多自由度耦合动稳定性分析方法，发现了乘波飞行器的两种典型横航向耦合失稳模态；针对典型高升阻比外形，开展风洞测力和自由飞实验，对上述理论进行了验证，阐明了HTV-2首飞失败的原因。上述工作已在我国高超声速助推滑翔飞行器研究方面获得工程应用。与型号部门合作设计的满足装填、飞行控制和防热等工程需求的高超声速高升阻比滑翔飞行器方案，不依靠安定面可实现静稳定性，巡航状态下最大升阻比突破4，仅通过两个舵面实现了飞行包线内的气动操纵，该气动布局已被选为预研型号备选方案。