高超聲速邊界
關注創建者：孤獨的鷹 創建時間：2019-01-18
高超聲速邊界的實例教程
1月12-13日，國家重點研發計劃項目“高超聲速邊界層轉捩機理、預測及控制方法研究”2018年度研討會在力學所懷柔園區召開。中國空氣動力研究與發展中心計算所陳堅強、袁先旭，超高速所張扣立、許曉斌，天津大學曹偉，清華大學任玉新、許春曉、肖志祥，國防科技大學易仕和，航天一院段毅、余平，以及力學所姜宗林、李新亮、申義慶等60余位專家出席會議。項目科技部責任專家何國威院士和航天一院十所總師閔昌萬應邀到會指導。
“高超聲速邊界層轉捩機理、預測及控制方法研究”系國家重點研發計劃項目“大科學裝置前沿研究”重點專項項目之一，包括邊界層轉捩風洞實驗研究、轉捩機理與預測方法研究、轉捩建模與控制方法、轉捩模型飛行試驗四個課題。力學所負責邊界層轉捩風洞實驗研究。
此次會議共交流25篇學術報告，包括高超聲速邊界層轉捩的理論、實驗和計算等。力學所5篇報告參與交流，涉及到高超聲速邊界層轉捩的復現風洞實驗、直接數值模擬、新型數值方法、大渦模擬和轉捩控制等方面內容。
會議期間，與會人員參觀了JF-12復現風洞和國際最大的平板、尖錐邊界層轉捩實驗模型（長度均超過3米，一般為1米以內）。
展開 由式（2）可算出高超聲速ISR平臺的機身容積率為0.2681。
2 性能分析
計算域為橢圓柱，長為20m，長半徑（Z向）為10m，短半徑（Y 向）為5m。采用非結構四面體網格，對壁面附近網格進行了加密處理，壁面上單元大小為1mm，計算域網格總數為1954萬，計算域及網格示意圖如圖3所示。
圖3 三維計算域及網格示意圖
Fig.3 3D computation grids and domain
計算域的前面和上下邊界采用壓力遠場邊界條件，其他邊界采用壓力出口條件，壁面處按等溫、無滑移處理，壁面溫度設為1000K[14]。考慮到高超聲速激波分辨和黏性計算精度等問題，數值方法空間采用AUSM+格式[15-18]，時間項采用全隱格式。采用RNG k?ε 兩方程湍流模型和增強型壁面函數[19]來模擬湍流。計算中采用的自由流條件按標準大氣給出，見表5。
表5 自由流條件
Table 5 Freestream conditions for computation
2.1 設計狀態下氣動性能
圖4 為高超聲速ISR 平臺上下表面壓力云圖。由下表面靜壓云圖可知，概念外形不僅乘波前體下表面壓力高，機身中部下表面也處于高壓區，只有尾部由于向上收斂，導致氣流膨脹，壓力減小。概念方案中機身中部向下傾斜，流經乘波前體上表面的氣流流經機身中部時膨脹，壓力降低。從上表面壓力云圖可知，在機翼前緣與機身結合處存在高壓氣體泄漏，機翼前緣與機身的結合處還需進行詳細設計，可以進一步提高全機的升阻比。高超聲速ISR平臺三維基準外形的氣動性能見表6。其中，氣動力系數采用的參考面積為機身橫截面的最大面積，與乘波前體的底部面積Sb相同（Sb=7.388m2）。
展開 以航空工業氣動院為例，而今，、航空工業氣動院已經實現了風洞試驗最高速度達到8倍聲速，達到高超聲速范圍，并形成了成熟的CFD仿真、風洞虛擬飛行及模型自由飛試驗能力，服務范圍囊括飛機、導彈、艦船、兵器、高鐵、汽車、體育訓練、環境綜合治理等多個領域。
FL-64風洞（1米高超聲速氣動力風洞）
風洞的推廣應用并不是孤例，而代表著一種普遍性的規律：
飛行器設計制造在人類工業體系中始終處于近乎頂點的上游地位。
現代社會中絕大多數最先進的工程技術，都是首先為飛行器設計制造而開發出來的，隨后才擴散到更下游的其他行業。
再比如，如今從汽車到各種超高建筑，結構上能實現輕巧、結實、長壽命的結果，都離不開以斷裂力學/有限元分析為代表的一系列先進理論和設計手段。而這些理論和設計手段的實用化最早都被飛行器設計制造而催生的——飛機結構既要極其輕巧、又要非常結實、還需要盡量長壽……這些“嚴苛”要求所結出的航空科技成果，正在造福全人類。
而助力冬奧運動員訓練的風洞此次“火出圈”，也讓人們通過這一抹“反光”，再次發現航空科技這座“巨大冰山”所蘊含的龐大力量。
展開 東麗開發的新固化技術示意圖
四 高超聲速飛行器用高溫材料邁向3000攝氏度
2018年1月，歐洲導彈系統公司（MBDA）披露了適用于英國/法國未來超音速和高超聲速武器的高溫材料持續研究項目細節。MBDA公司的開發方向之一是耐溫高達3000℃的纖維增強型高溫陶瓷復合材料，當前重點是使用HfB2粉浸漬的碳纖維預成型坯料，隨后用化學氣相浸滲工藝來生產高溫陶瓷復合材料。MBDA公司表示，在樣品厚度為12.5毫米的樣品上進行的氧乙炔焊接實驗表明，該材料具有優異的熱保護性能。此外，另一個項目研究小組正對射頻透明陶瓷或射頻透明陶瓷復合材料在500～1000℃溫度范圍的不同選擇進行探索，應用可能包括數據鏈路天線罩，雷達高度計窗口和導引天線罩。2018年12月，為了應對高超聲速飛行器前緣部位熱問題，DARPA宣布了其高超聲速飛行器材料系統和表征（MACH）項目。MACH計劃將包括兩個技術領域：第一個領域旨在開發并加快完全集成的被動熱管理系統的成熟，通過可擴展的近凈制造和先進的熱設計來冷卻前緣；第二個技術領域將專注于下一代高超聲速材料研究，應用現代高保真計算能力，為未來高超聲速飛行器的前緣冷卻應用開發新的被動和主動熱管理概念、涂層和材料。MACH計劃尋求熱工程和設計、先進計算材料開發、材料體系設計、制備和測試（包括高溫金屬、陶瓷及其復合材料的近凈制造）、高超聲速前緣設計和性能以及先進的熱防護系統方面的專業知識。
高超聲速飛行器前緣部位面臨惡劣的極端熱環境
五 黑硅超材料可實現近乎完美的紅外隱身
人體或車輛引擎等有溫度的物體，會以紅外線的形式發熱。紅外熱影像儀通過熱感原理有效顯示熱源，即使在夜間或大霧環境中，也能幫助無人機準確尋找到目標。2018年6月，美國威斯康辛大學麥迪遜分校開發了一種超薄紅外隱身薄片。
展開 解決極度復雜的系統集成難題，大幅加快導彈防御系統的研發進程
2019年8月7日，匹茲堡訊 – 為助力構建美國軍方新一代導彈防御系統，美國 Analytical Graphics公司 (AGI)聯手ANSYS (NASDAQ: ANSS) 將在導彈防御系統研發的早期階段應用多領域任務級建模的高保真多物理場仿真，有效幫助作戰人員對抗高機動性的高超聲速武器。
美國國防部（DoD）已將反高超聲速武器列為優先任務。想要快速發現、追蹤和消除威脅，導彈防御系統及其相關指揮控制基礎架構就必須進行升級，并實現完全互聯。要想順利開展關鍵的架構及任務分析，必須在設計早期進行高保真多物理場工程仿真。
為滿足這一迫切的國家安全需求，AGI將ANSYS基于物理場的高保真組件模型嵌入到了其擴展的多區域任務級建模中。在關鍵的工程及任務分析中提供一款集成系統，消除存在的工程瓶頸難題，使用基于物理場的求解器可更準確地預測通信中斷，預報運載工具軌跡及高度的控制，計算熱場對天線性能的影響及其它場景的分析，從而加快導彈防御系統的研發進程。
AGI工程副總裁Kevin Flood表示：“以前，系統研發被劃分為多個獨立部分，每個部分采用黑盒模式，分開進行研發。而反高超聲速需要在設計之初就連接這些黑盒系統，這次與ANSYS的合作旨在實現不同系統部分的互聯，實現架構分析和任務分析的工程高保真度。”
ANSYS國家航空航天與國防業務部副總裁Joseph Cole說：“在構建高度復雜且集成的導彈防御系統并對其進行建模的過程中，我們遭遇了巨大的挑戰。ANSYS和AGI正在幫助國防部代理客戶及其主要承包商，通過在多區域任務模型中融入詳細的ANSYS多物理場仿真來解決這些挑戰。
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相對不可壓邊界層研究，關于可壓縮邊界層中結構演變的實驗研究很少，特別是在超聲速或高超聲速邊界層中。在超聲速流動中，這些過程通常發生在微秒級的時間尺度上，在這樣的時間尺度上，很難通過實驗獲得多幅高分辨率的流動可視化圖像。超聲速或高超聲速流動演變的實驗研究提出了重大挑戰。因為要跟蹤高速流的結構演變，需要以快速（kHz甚至MHz）的重復率采集圖像。此外，需要非常短的曝光時間來解析瞬時流動特征。
根據誘發轉捩的機制不同，轉捩的類型主要有：流向Tollmien-Schlichting（T-S）波和橫向CrossFlow（CF）波主導的自然轉捩、層流分離泡轉捩、邊界層外擾動直接觸發的旁路轉捩、渦致轉捩、前緣附著線轉捩、高超聲速邊界層的第一模態、第二模態和其他高階失穩模態轉捩等。其中自然轉捩以及層流分離泡轉捩是民航飛機機翼表面主要的轉捩形式。
作者
劉濟民，顏仙榮，張朝陽，沈伋
單位
海軍研究院
摘要
本文對高超聲速情報、監視及偵察（ISR）飛機概念外形進行了初步設計。在乘波前體、中部機身、高超聲速機翼以及機身尾部設計的基礎上，建立了高超聲速ISR平臺一體化基準外形，對基準外形在設計狀態和非設計狀態下的氣動性能進行了分析
眼下，北京2022年冬季奧運會正在火熱進行中。
為了進一步促進冰雪運動的普及發展、幫助我國冬奧健兒取得佳績，航空科技再次“發威”助力：從2020年開始，航空工業空氣動力研究院為我國冬季項目“量身定制”的4座體育風洞陸續交付國家體育總局。
做中國自己的跳臺訓練風洞
據airforcemag網站2022年1月7日刊文，在本周圣地亞哥舉行的美國航空航天學會會議上，波音公司展示了新型“女武神”高超聲速無人機設計效果圖。此圖與2018年波音公司發布的效果圖有所不同，2018年發布的效果圖機頭很尖、脊背高，機身下方設有“二維”矩形進氣道，很像上世紀八十年代制造的空天飛機（NASP
作者：
厲兵
來源：
軍鷹資訊
4月27日，美海軍作戰部長邁克·吉爾迪在美智庫戰略與預算評估中心（CSBA）會議上表示，無人機、無人水面和水下艦艇將最大限度擴大美海軍未來在太平洋地區的作戰范圍
解決極度復雜的系統集成難題，大幅加快導彈防御系統的研發進程
2019年8月7日，匹茲堡訊 – 為助力構建美國軍方新一代導彈防御系統，美國 Analytical Graphics公司 (AGI)聯手ANSYS (NASDAQ: ANSS) 將在導彈防御系統研發的早期階段應用多領域任務級建模的高保真多物理場仿真，有效幫助作戰人員對抗高機動性的高超聲速武器。
美國國防部（DoD）已將反高超聲速武器列為優先任務
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此次會議共交流25篇學術報告，包括高超聲速邊界層轉捩的理論、實驗和計算等。
軍工材料是武器裝備的物質基礎，其技術發展既受裝備的需求牽引，又遵循自身科學發展規律。2018年國外軍工材料技術繼續保持日新月異的發展勢頭，充分展現了復合化、微納化、可設計化的發展趨勢，不斷向高性能、高可靠性、長壽命、低成本的發展目標邁進。日前，中國航空工業發展研究中心召開2018年度國外軍工材料重大進展評選會。從高性能金屬材料、先進復合材料、特種功能材料、電子信息功能材料、關鍵原材料等五大領域86
3D打印技術又稱增材制造技術，指運用粉末狀可黏合材料，通過逐層添加材料的方法“打印”結構的成型技術。3D打印技術是多種現代科技的集成融合，以信息技術為支撐，綜合數模技術、材料科學、化學等領域的前沿技術，被譽為“第三次工業革命”的核心技術。
3D打印技術起始于二十世紀八十年代
