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空天飞行器气动技术研究

时间:09-16 00:00 阅读:112次 转载来源:战略前沿技术

远望智库:与智者同行,为创新加速

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来源:战术导弹技术

作者:王立宁

摘要:气动技术的研究对于认识空天飞行器飞行环境和发展其他关键技术有巨大推动作用。本文根据空天飞行器的任务环境及外形特点分析了空天飞行器研究涉及的高温/稀薄等复杂流动机理、复杂耦合环境下气动特性的预测与验证、大空域宽速域高升阻比气动布局设计等三个气动方面的关键问题,并探讨了解决上述问题所需开展的关键技术,为后续空天飞行器的研究提供了一定的指导与借鉴。

关键词:空天飞行器;气动问题;关键技术

空天往返飞行器(以下简称空天飞行器)是指采用吸气式空天发动机、可水平起降,并自由穿梭于稠密大气、临近空间和近地轨道的新一代可重复使用天地往返飞行器,具有廉价、可靠、快速、便捷的特点,是下一代航天运输系统的发展方向,其中以吸气式组合推进系统为动力的单级与两级入轨空天飞行器为最理想的方案形式。

空天飞行器的研究将打破传统航空器和航天器的局限,其研发是动力、结构、材料、气动、控制等一系列关键技术的高度集成融合的结果。面对人类认知尚浅的临近空间大气环境,并考虑到空天飞行器各项技术对任务环境的高度依赖性,要发展空天飞行器,必须要认清并解决空天飞行器所面临的空气动力学问题。

本文根据空天飞行器的任务环境及外形特点分析了空天飞行器涉及的气动关键问题,并简单探讨了解决上述问题所需开展的关键技术研究工作,为后续空天飞行器及宽空/速域飞行器的研究提供指导与借鉴。

1  国外飞行器方案研究情况分析

国外自20世纪50年代起便开始开展空天飞行器的研究工作,提出一系列具有代表性的空天飞行器概念方案。

美国在1986年制定国家空天飞机(National Aerospace Plane,NASP)计划,意图发展一种以吸气式火箭组合循环发动机、单级入轨完全可重复使用,能入轨并具备水平起降能力的空天飞行器,X-30是这种空天飞机的演示验证试验机,如图1所示。

图1 NASP 单级入轨空天飞行器X-30

20世纪80年代初,英国提出了水平起降、单级入轨的“霍托尔”(HOTOL)空天飞机方案(见图2)。1989年8月英国喷气发动机公司在已终止的HOTOL项目研究基础上提出“云霄塔”(SKYLON)计划,并提出单级入轨、能在普通机场跑道起降的空天飞机方案,以“佩刀”(SABER)喷气/火箭组合发动机为动力,目前处于概念设计阶段,飞行器概念外形采用翼身组合体布局形式,如图3所示。

图2 HOTOL单级入轨空天飞行器

图3 SKYLON单级入轨空天飞行器

德国在20世纪80年代提出一种两级入轨的“桑格尔”(Sänger)空天飞机方案,它是以德国火箭专家欧根·桑格尔的名字命名的。Sänger方案将整个系统分为两级,第一级是载机,采用翼身融合体布局,第二级是轨道飞行器,轨道飞行器由载机驮在背部,如图4所示。

图4 Sänger两级入轨空天飞行器

巴西高等研究学院气动热与高超声速技术实验室提出了14-X两级入轨空天飞行器方案,该方案使用乘波体布局,利用超燃冲压发动机推进(见图5);日本宇航研究开发局提出了“JAXA”两级入轨空天飞行器方案,其一级运载器为翼身组合体、大后掠三角翼布局方案(见图6)。

图5 巴西14-X两级入轨空天飞行器

图6 JAXA两级入轨空天飞行器

2 空天飞行器的气动问题

空天飞行器往往需要以同一构型实现大气层内和空间自由穿梭飞行;以一种新的空天动力形式实现水平起降,并完成在稠密大气层、临近空间稀薄大气以及空间的全空域工作。因此,空天飞行器的发展涉及吸气式空天发动机技术、结构/材料及热防护技术、总体设计技术、气动技术等一系列关键技术。结合空天飞行器的任务特点,其涉及的气动关键技术与问题主要表现在以下几个方面。

2.1 高温/稀薄等复杂流动机理问题

空天飞行器在完成任务的过程中均需要跨越宽广的飞行空速域(0-180Km+,0-Ma25+),面临复杂且急剧变化的绕流环境:

随着飞行高度增大,分子平均自由程迅速增大,和飞行器特征尺度的比值不再是小量,需考虑稀薄气体效应的影响,例如60km左右流动变为滑移流,随高度增大流动变为过渡流甚至自由分子流,稀薄气体效应将带来壁面速度滑移/温度跳跃、局部热力学非平衡等问题,改变流动结构形态。空天飞行器由于飞行器构型复杂,特征尺寸多,且在高空有直接力控制喷流的需要,稀薄/连续共存的跨流域问题突出,对稀薄条件下的流动机理认识与分析提出了更高要求。

飞行马赫数达到Ma=10~25等高马赫数条件时,高马赫数激波压缩后总温可达几千甚至上万K,高温下空气分子将产生振动激发、解离、甚至电离,同时离解/电离气体在壁面受到金属等材料的催化作用可能发生复合反应,空气成为包含热化学反应的复杂流体介质,热力学特性显著改变,同时高温下激波与边界层相互干扰,将影响飞行器的表面压力分布和气体放热、吸热,对高温气体效应机理的清晰认识是准确预测飞行器的力矩特性和气动热环境的关键。

图7 空气在一个标准大气压下振动激发、离解和电离的范围

稀薄/高温等复杂物理化学过程的存在,也使高空高速飞行时边界层流动更为复杂,而高度增大后湍流度降低、流动粘性效应增强,均使得机理尚不清晰的流动转捩问题更为复杂;吸气式发动机内流与飞行器外流的强烈耦合还将导致更复杂的激波边界层干扰、边界层转捩与粘性干扰等问题,进一步增加了上述问题的复杂化程度。

空天飞行器为适应宽速域飞行可能要考虑变几何飞行,低升力水平降落等问题;对于两级或多级入轨飞行器,需要考虑复杂构型高速分离等问题,对变几何飞行及高速分离过程中流动机理的认识是动态过程模拟与分析的基础,也是进行方案决策的基础,将直接影响飞行安全。

目前国内对上述复杂流动问题的基础较为薄弱,为满足空天飞行器研发的需求,应重点针对高温、稀薄、稀薄/连续共存、高马赫数转捩、高马赫数级间分离等复杂流动开展机理问题研究。

2.2 复杂耦合环境气动特性预测与验证问题

如2.1节所述,空天飞行器在高空高速飞行时会遭遇稀薄气体效应、高温气体效应、激波/边界层干扰等复杂流动现象,显著改变飞行器表面压力与温度分布,影响飞行器气动力/热特性。图8(a) 给出了美国航天飞机俯仰力矩随攻角的变化曲线,未考虑高温气体效应时,为了保持40°飞行攻角,升降舵偏角约为7°;考虑高温气体效应后,俯仰力矩系数修正量可达0.02,使升降舵配平角增加约9°。图8(b) 给出了俄罗斯“暴风雪”号航天飞机头部驻点附近温度受壁面催化特性(Kw)影响,显示出不同程度的高温气体效应导致的温度差可达300 K,相互间的偏差可达20%之多。

对上述流动的准确模拟是精确预测飞行器气动性能的保证,这就要求在注重机理研究的同时,重点发展适用于空天飞行器内外流耦合下的高温/稀薄气体力/热预测与验证技术,从而为飞行器设计提供支撑。基于目前国内在高温、稀薄气体效应预测方法研究方面的基础相对薄弱,验证能力相对短缺,应重点针对高温空气热力学与热化学模型、全速域气动特性预测统一算法、高马赫数内外流气动力验证等关键技术开展攻关研究。

a)高温气体效应对美国航天飞机俯仰力矩的影响

b)暴风雪号航天飞机前缘驻点温度变化历程 

8高温气体效应对气动特性的影响

相较于常规高速飞行器,空天飞行器尺度规模大,受现有地面试验设备尺寸约束,飞行器试验模型须进行大尺度缩比,将导致无法真实模拟边界层以及发动机内流,使得内外流一体化下的基本气动性能数据获取难度大;同时,组合动力不存在缩比模拟相似准则,无法直接通过飞行器缩比模型获取带组合动力一体化的试验数据,需要在现有风洞条件下,开展宽速域(亚/跨/超/高超)带动力一体化试验方法,试验技术,模拟准则等方面开展研究。

空天飞行器在多次重复穿梭大气层过程中必然会出现热防护系统的损伤,包括防热瓦间缝隙、台阶大小/形状在交变力热载荷的作用下偏离设计状态、防热瓦受大气粒子侵蚀产生显著的划痕与凹坑等。防热瓦表面损伤的出现、缝隙和台阶大小/形状的改变均会显著影响飞行器表面的热环境,可能导致热防护系统失效,危及空天飞行器使用安全,应重点发展大气粒子侵蚀/气动/结构多场耦合热环境分析与验证技术。

空天飞行器单次飞行面临长航时飞行问题,宽频率脉动压力中的高频成分可能引起低周结构疲劳,在多次重复使用过程也会引起结构件的高周疲劳问题,设计阶段的疲劳载荷谱的设计和疲劳载荷分析将直接影响空天运载器的结构设计和结构定寿工作,对高马赫数力/热/噪声耦合疲劳载荷技术的研究不容忽视。

空天飞行器的结构质量和有效载荷是“零和”的关系,控制结构质量就可以获得更大的有效载荷质量,为保证较高的经济效益,空天飞行器往往具有轻质、升力式外形的特征,这将导致飞行器机体柔性程度大,在飞行中存在大变形,复杂热环境下的气动弹性问题更加突出,需相应发展大型轻质升力式飞行器热气动弹性预测与验证技术。

2.3  大空域宽速域高升阻比气动布局设计问题

空天飞行器具有大空域宽速域的任务剖面特点,为快速自由穿梭大气层,需同时具有高机动性与高加速性,要求其在全速域范围内均具有较高的升阻比。

而在完成天地往返的飞行过程中,空天飞行器需跨越亚/跨/超/高超声速,历经稠密与稀薄大气,面临复杂且急剧变化的飞行环境,飞行器绕流特性变化大,同一外形在不同速域的气动特性差异明显,同一外形在不同速域的气动特性差异明显,同样的高升阻比等性能需求将导致相互矛盾的外形方案(图9),传统气动布局设计已不适用,应重点针对层流外形设计、全速域高升阻比翼型与机翼设计、低波阻翼身融合体设计为代表的全飞行包线高升阻比设计技术研究。

图9低速(上)和高超声速(下)高升阻比外形对比

空天飞行器在宽速域飞行过程中,由于马赫数变化剧烈导致飞行器稳定性变化大,传统气动布局方法难以实现宽速域下飞行器稳定性和操纵性设计,而进气道工作状态的改变以及高温气体效应的出现同样引起压心的移动,使飞行器稳定度变化大,同一舵面在不同速域操纵效率不同,使得飞行器操稳设计、匹配困难,必须加强宽速域吸气式飞行器操稳设计/匹配技术研究以解决上述问题。

由于空天飞行器还必须具备低速起飞和降落能力,在气动布局设计时必须兼顾高超声速外形与低速起飞外形,甚至设计具备变形能力的飞行器,以保证低速的大升力和高速的高升阻比,此外,吸气式动力的采用使内外流场强烈耦合,宽速域范围内的推阻匹配需求、宽速域可调进气发动机与机体匹配设计等问题,都给空天飞行器的气动布局设计带来巨大挑战。

3  结论

空天飞行器是未来航天运输系统的发展方向,气动技术的研究对于认识空天飞行器任务环境和发展其他关键技术有巨大推动作用。

本文根据空天飞行器的任务环境及外形特点分析了空天飞行器涉及的三大方面气动关键问题,并梳理了主要的研究方向:

(1)针对宽广空速域飞行带来的高温/稀薄等复杂流动机理问题,需重点开展高温/稀薄气体效应、稀薄/连续共存、高马赫数转捩、高马赫数级间分离等复杂流动机理研究;

2)针对复杂耦合环境下的气动特性预测与验证问题,需重点对高温/稀薄耦合力热环境、大气粒子侵蚀/气动/结构多场耦合热环境、高马赫数力//噪声耦合疲劳载荷等复杂耦合环境气动特性预测与验证技术开展攻关;

3)针对大空域宽速域高升阻比气动布局设计问题,需突破全飞行包线高升阻比设计宽速域吸气式飞行器操稳设计/匹配宽速域可调进气发动机与机体匹配设计等难点技术。

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