高超声速实验/飞行数据关联理论及方法研究

Aerodynamic force and heating data acquired from wind tunnel experiments are the essential requirement for the hypersonic vehicle design. The experimental data, however, generally possess serious unreliability problems due to the inadequate capability of duplicating flight conditions and large discrepancies among the ground-based test facilities. With the development of multi-space correlation theory for wind tunnel data analysis, a ground-to-flight prediction algorithm will be worked out in the present proposal to improve reliability and accuracy of the predicted results. Based on achievements in the previous study on typical test models, a structure-optimized aerodynamic force and heating database of sufficient size will be built. The database will initially include the existing experimental data available after detailed comparative analysis. The JF-12 hypersonic shock tunnel will be used to provide the key supporting and validating data. CFD simulation results can be further input to expand the database efficiently after reliable validation. The ground-to-flight prediction with the multi-dimensional correlation will be further improved by using the in-house functional evolution algorithm based on global optimization. Finally, the proposed correlation method will be applied to predict the flight performance of hypersonic vehicles from wind tunnel data. In addition, the method can help to improve utilization efficiency of the existing hypersonic wind tunnel data that are obtained costly for hypersonic vehicles. Meanwhile, universal laws of aerodynamic force and heating could be revealed, which will lead to further understanding on hypersonic flow physics.

气动力／热风洞实验数据是高超声速飞行器研制的主要依据，由于在地面实验中复现飞行条件极其困难，不同风洞模拟能力各有不同，使得应用风洞实验数据预测飞行条件气动数据存在严重的可靠性问题。本项目拟通过发展风洞实验数据的关联理论和方法，建立一套从地面数据到飞行条件的预测技术，提高预测结果的可靠性与精度。本项目将针对典型模型，首先充分挖掘与分析已有风洞的试验结果，依托JF-12复现高超声速飞行条件激波风洞获得支撑性试验数据，结合经过实验充分验证的计算数据，基于风洞数据多空间理论建立适度规模的、具有一定优化结构的气动力/热数据库。然后利用项目团队发展的具有全局优化能力的泛函进化方法，进一步完善实验数据到飞行条件的多维关联方法和预测技术，以提升我国风洞实验数据的使用效率。同时获得高超声速流动的气动力／热规律及其流体动力学机理。

高超声速科技是航空航天大国竞争的焦点，其中一个关键的基础科学问题是研究如何充分利用地面试验数据，预测高超声速飞行状态，实现天地相关。本项目围绕天地相关问题，研究：相关理论、关联方法、测量技术、风洞实验、力/热规律和机理分析。代表性成果包括：(1)提出了高超声速实验/飞行数据的多空间相关理论和泛函优化关联方法；(2) 开创了复现高超声速飞行条件下气动力/热测量方法；(3) 获得了实验/飞行数据关联在复现高超声速飞行条件的支撑性实验数据和基准面对齐技术；(4) 获得了高超声速气动力/热规律的新发现与差异机理。项目研究的相关成果发表期刊论文52篇，其中SCI检索论文32篇、EI检索论文10篇（与SCI论文不重复）。部分成果发表在National Science Review等顶级期刊上。申请国家发明专利20多项，已授权9项，已发布5项。项目主要研究内容的高超声速复现风洞实验和测量技术、实验数据关联方法作为核心成果之一，获得国家发明二等奖、中国科学院杰出科技成就奖、美国航空航天学会AIAA地面试验奖。项目研究促进了青年人才的培养：先后参与项目研究生20人，包括1名博士后、7名毕业博士、3名毕业硕士和9名在读硕博士研究生，其中5名研究生获国家奖学金，4人获郭永怀奖学金，1人获中科院百篇优博，1人获中科院优秀毕业生；2位项目组主要成员晋升为研究员。.本项目的研究成果为利用地面试验数据预测高超声速飞行状态提供了一套原创系统的理论、方法、技术、数据和规律。本研究的科学意义在于：加深了对气动力／热天地相关规律及其流体动力学机理的把握，促进了高超声速动力学的发展。工程价值在于：能够提高风洞实验数据的使用效率，从而提升我国高超声速飞行器的设计水平。