基于表面流场拓扑的复杂外形飞行器热环境预测平台研究与实现

发布时间：2020-03-24 09:16

【摘要】：气动热环境预测是复杂外形高超声速飞行器工程计算中的关键问题,使用高效的气动热工程近似计算方法是飞行器早期设计阶段热预测的首选方案。然而,传统的工程方法对外形的适应性低,需要人工进行区域划分和近似,不同外形的程序无法直接复用,开发投入高回报低。本文建立的气动热环境在线可视化计算平台是对气动热方法的扩展,对外形的适应性强,通用自动化程度高,提高了外形设计工作的效率。本文研究基于流线追踪方法,在利用流场的附着线特征结合驻点热流方法进行计算气动热的基础上,改进了流线图谱的计算方法,实现了自动提取附着线特征。算法应用于多个外形,对有效性和适用性进行了分析。算例表明,改进后的飞行器表面热流分布合理,且该气动热方法具有适中的精度,能满足复杂外形飞行器早期设计的需要。本文建立的气动热环境快速计算平台是对工程算法的实际应用,具有通用、快捷、可靠的特点。论文首先从技术选型、数据结构组织、算法实现关键技术以及系统详细设计几个方面介绍平台的研发。然后对平台进行了功能测试和性能测试,测试结果表明平台界面友好、运算稳定、效率出色,使用多线程并发技术提升了系统的性能。基于流场拓扑的气动热环境预测平台经过算例分析和系统测试表明,使用几何工程流场对类似钝双锥的简单外形能达到较高的精度,总耗时为秒级别;使用数值无粘流场对类似航天飞机的复杂外形有较高的精度,总耗时主要由计算数值无粘流场耗时决定,耗时为分钟级别。使用几何工程流场时,通过复用耗时占比高的预处理和流线图谱数据,能够减少90%的耗时,极大提升计算效率。
【图文】：

空航天领域的重要发展方向之一。高超声速技术广泛应用于高超巡航导弹、空天飞机、航天运载器等复杂外形，对国家的综合国力、安全以及科技进步发展具有重大的意义。近年来，世界各国竞相发展高超声速飞行器，主要包括战略打击武器和太空运载器。美国空军在 2013 年启动“高速打击武器”（HSSW）项目，，目的是在已有的 X-51A、HTV-2 项目上进一步提高高超声速巡航导弹和高超声速助推技术[1]。同年 9 月，美国国防高级研究计划局首次公布 XS-1 实验性空天飞机项目，如图 1-1 所示，目的是发展低成本高效率的高超声速运载飞行器，目标是在 10 天内成功往返 10 次，并在 2018 年完成了热试车点火实验[2]。俄罗斯在 2017 年上半年完成 3M22 锆石高超声速反舰导弹试射，如图 1-2 所示，试射中速度达到了 Ma8，导弹的目标飞行速度达 Ma9，射程达1000km，在 2018 年底完成最近一次实验，速度再次达到 Ma8[3]。俄罗斯在 2017 年 1月首次披露 GZUR 高超声速制导导弹项目，飞行速度可达 Ma6，射程可达 1500km。法国在 2019 年 1 月宣布，将在 2021 进行 V-max 实验性机动飞行器飞行试验。日本在2019 财年预算中进一步加大高超声速助推滑翔导弹技术的经费支持，计划在 2026 年与 2028 年完成圆锥体和扁平体两代导弹的研发，射程达 300-500km[2]1。2018 年 8 月中国航天空气动力技术研究院完成国内首个乘波体“星空-2”的飞行实验，飞行速度达Ma6，飞行高度为 30km。

空航天领域的重要发展方向之一。高超声速技术广泛应用于高超巡航导弹、空天飞机、航天运载器等复杂外形，对国家的综合国力、安全以及科技进步发展具有重大的意义。近年来，世界各国竞相发展高超声速飞行器，主要包括战略打击武器和太空运载器。美国空军在 2013 年启动“高速打击武器”（HSSW）项目，目的是在已有的 X-51A、HTV-2 项目上进一步提高高超声速巡航导弹和高超声速助推技术[1]。同年 9 月，美国国防高级研究计划局首次公布 XS-1 实验性空天飞机项目，如图 1-1 所示，目的是发展低成本高效率的高超声速运载飞行器，目标是在 10 天内成功往返 10 次，并在 2018 年完成了热试车点火实验[2]。俄罗斯在 2017 年上半年完成 3M22 锆石高超声速反舰导弹试射，如图 1-2 所示，试射中速度达到了 Ma8，导弹的目标飞行速度达 Ma9，射程达1000km，在 2018 年底完成最近一次实验，速度再次达到 Ma8[3]。俄罗斯在 2017 年 1月首次披露 GZUR 高超声速制导导弹项目，飞行速度可达 Ma6，射程可达 1500km。法国在 2019 年 1 月宣布，将在 2021 进行 V-max 实验性机动飞行器飞行试验。日本在2019 财年预算中进一步加大高超声速助推滑翔导弹技术的经费支持，计划在 2026 年与 2028 年完成圆锥体和扁平体两代导弹的研发，射程达 300-500km[2]1。2018 年 8 月中国航天空气动力技术研究院完成国内首个乘波体“星空-2”的飞行实验，飞行速度达Ma6，飞行高度为 30km。
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP311.52;V211;V411

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本文编号：2598116