高超聲速邊界的案例
“高超聲速邊界層轉捩機理、預測及控制方法研究”2018年度研討會順利召開
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 高超聲速飛機氣動外形概念設計
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 從冬奧跳臺滑雪到高超聲速飛行器，風洞還能干什么？
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 高超聲速飛行器用高溫材料邁向3000℃
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 
AGI聯合ANSYS推動高超聲速武器防御系統的設計與集成優化
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。
展開 波音公司展示新型“女武神”高超聲速無人機設計效果圖
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）。新型“女武神”高超聲速無人機機頭扁平、機身較圓、機身下方兩個分立的“二維”矩形進氣道延伸到尾桁，噴管采用塞式技術，機身更多地呈現出“乘波體”的形狀。
美國國防工業協會新興技術研究所執行主任馬克·劉易斯認為，新型“女武神”高超聲速無人機采用的是“組合循環”推進系統，即起飛時采用燃氣渦輪發動機提供動力，當無人機達到足夠大的超聲速時，再由超燃沖壓發動機提供動力。波音公司的這種設計方案汲取了美國宇航局（NASA）X-43高超聲速飛機的設計經驗。
馬克·劉易斯指出，波音公司面臨的技術難題是“組合循環推進系統接替工作”問題，即“在遠低于超然沖壓發動機啟動的馬赫數飛行時，燃氣渦輪發動機出現空中停車，這會造成無人機失去動力，必須采用某種方法解決這一技術難題”。
馬克·劉易斯認為，波音公司應展開“熱結構”復合材料的研究，以解決超高聲速飛行產生的高溫問題。“‘冷結構’復合材料不能解決抗高溫問題，但具有某種‘熱保護’的功能”。
此外馬克·劉易斯還表示，新型“女武神”高超聲速無人機的扁平狀機頭有助于提高飛機的隱身性，這種構型“輻射的熱信號不會像人們想象的那樣明顯”。
轉自：全球航空資訊
展開 吸氣式高超聲速飛行器設計中的一些概念研究
高超聲速技術[4,5,6]，尤其是以吸氣式發動機作為推力元件的飛行器，它的設計是需要多種前沿技術的支持才能實現的。吸氣式高超聲速飛行器的飛行馬赫數范圍很寬，要跨越亞聲速、跨聲速、超聲速、高超聲速4個階段；要從稠密大氣層沖向稀薄大氣層，空氣密度變化也很大。這些都給飛行器的設計帶來很大的困難，必須攻克高超聲速飛行器機體/推進系統一體化設計、高超聲速空氣動力/熱力學、結構材料等關鍵技術。可以這么說，高超聲速技術是航空航天各項前沿技術的結合點。而該技術本身就涉及了許多學科，是諸多前沿技術的集合。高超聲速技術具有很強的前瞻性、戰略型和帶動性，它
空間技術，武器系統的構建乃至整個科學技術的進步都的發展對未來軍事發展戰略[7,8]，
會產生重大的影響。
當然，到目前為止，超燃沖壓發動機技術的發展并不是很成熟，尚處于試驗階段，而且它有一定的使用范圍，不同的飛行速度下需要采用不同形式的吸氣式發動機。鑒于現今高超聲速飛行器所能提供的推力凈增益并不樂觀。為了保證飛行器具有足夠的推力以及持續的續航能力，這就需要從推進系統的設計角度對推進系統的各個部件進行精心
吸氣式高超聲速飛行器設計中的一些概念研究；的設計和匹配；研究成功與否的關鍵，并且隨著飛行器工作馬赫數越高；為此，本文將對飛行器與推進系統一體化問題進行研究；然而只對推進系統進行優化是不夠的，同時還需要飛行器與推進系統從根本上實現一體化，對高超聲速飛行器進行飛行器機體/推進系統的一體化（Propulsion Airframe Integration, PAI）設計。所謂一體化設計技術是指通過飛行器和推進系統的相互作用，獲得盡可能高的氣動性能、推進性能、穩定性和控制特性[15]。
展開 你想象不到，3D打印技術在國外高超聲速技術領域達到什么程度了
該型戰斗部是目前公開資料披露的首個以3D打印為主要制造手段的高超聲速飛行器分系統產品，其成功制備與試驗是高超聲速技術的一項重要突破，也是高超聲速發展過程中的一個里程碑。
英國研發出世界上首架石墨烯蒙皮無人機；波音正研究高超聲速客機技術
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波音公司對高超聲速客機的前景表示樂觀
波音公司首席技術官格雷格·希斯洛普表示，波音公司正在研究高超聲速客機技術，并已經找到了速度、材料和推力的有效組合，使這種5馬赫速度的飛機不僅可以在技術上實現，而且到2040年左右能夠在經濟上有利可圖。波音公司高級技術研究員兼超聲速學首席科學家凱文·鮑克特則表示，波音公司有一些非常創新的方法來解決高超聲速飛行相關的棘手問題之一，即以5馬赫速度在27432米至28956米高空飛行時，高度降低不會影響機艙內部的加壓狀態。此外，波音公司的高超聲速客機將不使用超燃沖壓發動機，而是用類似SR-71“黑鳥”J58發動機的變循環發動機。
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空客最新發布A330neo飛機最大起飛重量已達251噸
空客公司正式發布其研發的A330neo飛機，該機在換發后的最大起飛重量(MTOW)已提升至251噸，并詳細闡述了A330neo飛機的基本特點。據悉，自A330-300(MTOW為212噸)從1994年運營以來，空客公司一直在努力提升A330系列飛機的最大起飛重量。空客表示，A330neo飛機以2015年推出的242噸MTOW機身為基礎，由羅羅公司Trent 7000發動機提供動力，目前已修改了機場規劃文件，涉及較大起飛重量的A330-900飛機和A330-800飛機，將A330-900飛機劃分為WV920、WV921和WV922三種，最大起飛重量從247噸至251噸，包含動態載荷選項;而A330-800飛機則劃分為WV820、WV821和WV822，它們具有同樣的最大起飛重量。
展開 無人系統、高超聲速和激光武器將極大提高美海軍在太平洋地區的作戰范圍和安全程度
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，而裝備高超聲速或定向能武器的艦艇和潛艇可在競爭地區提供保護。
吉爾迪指出，美海軍的研發工作主要在高超聲速方面。高超聲速武器計劃于2025年交付，首先配備水面艦艇，然后是Block 5潛艇。“我們希望把這種能力提升，利用分布式海上行動，以各種不同方式與敵方交鋒，使對手很難瞄準我們。”
盡管預計未來幾年國防預算會減少，但吉爾迪仍將無人系統視為經濟可承擔和殺傷力的途徑。“如果一切順利，我們認為到本世紀30年代中后期，可能多達三分之一的裝備將實現無人駕駛。對于未來航空聯隊，我們也有同樣的想法，最初設想為機隊的40%為無人機與四代機、五代機協同作戰，最終這一比例可能增至60%。”
波音公司研發的MQ-25A“黃貂魚”艦載無人機將在2025年左右形成初始作戰能力。一旦與航母艦載機聯隊集成，作為海基空中加油機的“黃貂魚”將擴大航母的覆蓋范圍，還可以在航母戰斗群周圍提供持久的情報、監視和偵察支持。
3月16日，美海軍和海軍陸戰隊發布了《無人作戰框架》，該框架展現了將無人系統作為戰爭中值得信賴和不可或缺的一部分的戰略，為美海軍和海軍陸戰隊無人系統發展提供了戰略指導，為開發無人系統成功整合至美海軍未來部隊結構中所需的核心技術提供了解決方案。
展開 超聲速平板邊界層轉捩過程中擬序結構的時間演化 | 航空學報CJA
例如，到目前為止，發夾渦是如何在下游進一步發展的，超聲速板邊界層中流動破裂的機制是什么，以及如何產生新的結構都沒有得到很好的解釋。因此，可視化轉捩過程中結構的演變有助于理解轉捩結構的起源、形成和影響發展的因素，并有望為控制邊界層轉捩提供方法。
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。因此，在保持超聲速流動的有意義的空間分辨率的同時，滿足高速成像的時間分辨率要求具有挑戰性。
二
研究亮點
采用一種由多個脈沖激光器和多個照相機組合的方式，實現在非常短的時間間隔以高分辨率記錄Ma=3超聲速平板邊界層在轉捩過程中擬序結構的快速變化過程，通過分析擬序結構隨時間的變化以促進對邊界層轉捩和破碎成湍流過程的進一步理解。如圖1和圖2所示。
圖1 實驗系統組成示意圖
圖2 八脈沖激光器系統
圖3為歐拉參考系下擬序結構的八幅時間序列圖像，每幅圖像之間的時間間隔為5 ms。視場范圍x = 200~290 mm，流動是從左到右。可以觀察到，在35 ms的時間間隔內，流動結構主要向下游快速移動，形狀和大小發生變化。然而，結構變化的速度遠遠小于向下游移動的速度。
展開 
層流機翼設計技術現狀與發展
轉捩是指邊界層內流體在某些不穩定機制的誘導下流動狀態發生變化的過程，以最典型的二維平板邊界層為例，通常認為轉捩會經歷穩定層流、線性不穩定擾動、非線性渦干擾、三維渦破裂、湍流斑形成、全湍流狀態幾個過程，在宏觀上表現為摩擦阻力的激增，如圖2所示。
圖2 平板邊界層自然轉捩過程
對于三維機翼而言，影響轉捩發生的因素包括來流湍流度、壁面壓力梯度、當地后掠角、壁面粗糙度、壁面曲率變化、壁面抽吸氣情況等。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。
對于低速飛行的平直機翼和后掠角小于10°的機翼，TS波的放大、失穩是導致轉捩發生的主要原因，由于順壓梯度區可以抑制TS擾動的增長，因此可以通過合理的壓力分布設計來實現較大范圍的層流；高速飛行的民用飛機往往采用后掠機翼以提升巡航馬赫數，因此附面層中會出現橫向流動速度，產生特殊的流動穩定性問題，使層流轉捩的機理變得更加復雜。試驗結果表明，機翼后掠角在10°~30°之間時，TS波和CF波不穩定機制同時存在并相互影響，而TS波與CF波的壓力梯度抑制手段相互矛盾，兩種不穩定機制相互的非線性作用機制還需要進一步研究清楚；當后掠角大于30°時，CF波不穩定機制是轉捩的主導因素。見圖3。
圖3 后掠機翼表面邊界層速度型
對于一些飛行雷諾數較低的飛行器，層流邊界層在逆壓梯度作用下產生分離，在外層高能量流體進入后再附，形成層流分離泡，也會誘發層流轉捩。
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