高超声速飞行器多场耦合机理及动力学基础问题研究

The study of aerothermoelasticity problems of hypersonic vehicle is important. The aerothermoelasticity is a cross-disciplinary problem including aerodynamics, structural dynamics and principle of automatic control. The theory and approach innovation is a chief problem in the basic research of hypersonic vehicle but the key technology supported is immature. The project is dedicated to develop innovative theory, technology and do research on basic scientific problems of coupled multi-phycics field of hypersonic vehicle,including,(1) Coupled dynamics modeling and research method of airfoil, thermal protection structure (2)Uncertainty and nonlinearity analysis of hypersonic vehicle(3)High-efficient calculation method of coupled multi-phycics field problems(4)Hypersonic wind tunnel experiment technology. The project is a synthetical research of wind tunnel test, numerical calculation and theory analysis, it will give some basic interaction mechanisms of coupled multi-phycics field, support innovative theory and research technology, making a important contribution to the engineering apply of hypersonic vehicle.

高超声速飞行器的研究发展，使高超声速热气动弹性问题越来越具重要性。高超声速热气动弹性问题涉及空气动力学、结构传热学、固体力学以及自动控制原理等多个学科，需要发展跨学科的创新理论和方法支撑关键基础科学问题，但相关技术远未成熟，是近空间飞行器研制中无法回避并急需开展的重要问题。本项目以高超声速飞行器研制技术为应用背景，开展以下基础科学问题研究：（1）翼面、热防护结构的气动/结构耦合动力学建模方法研究；（2）高超声速飞行器结构不确定性、非线性因素对结构动力学特性的影响研究；（3）高超声速多场耦合动力学高效计算方法研究；（4）高超声速气动弹性风洞实验方法及技术研究。揭示多物理场相互作用机理及强弱关系，发展集风洞实验、数值计算和理论分析为一体的综合研究手段。项目的研究将对国家高超声速飞行器结构气动弹性设计和分析提供自主创新的理论和支撑，并提供坚实的技术成果储备，支持相关工程技术应用的发展。

本项目以高超声速飞行器为应用背景，围绕气动弹性分析的热-力解耦基础、高超声速气动弹性风洞基础实验数据获取及高超声速非定常气动力理论验证等基础科学问题开展研究，采用风洞实验、数值计算和理论分析多种研究手段。. 项目以高超声速飞行器典型部件为研究对象，在满足具有实用基础及特征要求的条件下，开展了典型高超声速飞行器气动构型和结构建模研究，建立了气动热计算方法，完成了以CFD/CSD耦合数值计算技术为主的热气动弹性耦合数值计算方法及平台建立。通过高超风洞试验模型方案和缩比设计，建立了工程实用的高超气弹风洞实验装置，解决了模型保护、变动压及实验数据分析等难题，建立了风洞实验多场耦合测量技术，并成功开展了舵翼面高超颤振实验，获取了宝贵的实验数据。通过数值计算与风洞实验的相互比对，验证了实验及计算方法的有效性。此外，建立了非定常气动力和模型参数的辨识计算技术。. 通过项目研究，国内首次成功开展了高超声速气动弹性风洞实验，获得了舵翼面高超声速颤振动压等关键数据、验证了典型部件结构颤振模式。此外，通过数值计算与实验结果比对，验证了“分层求解”思路的可行性及正确性，研究了关键参数对颤振边界的影响规律。. 项目对典型结构高温环境下多物理场的耦合动力学特性规律性的研究，揭示了多物理场耦合性质的强弱属性，建立了工程实用的高超声速气动弹性理论、数值分析方法及风洞试验技术。项目的研究成果对国家高超声速飞行器结构气动弹性设计和分析提供了自主创新的理论支撑及技术储备，支撑了相关工程技术应用的发展。