高超聲速
關(guān)注創(chuàng)建者：航發(fā)設(shè)計(jì) 創(chuàng)建時(shí)間：2022-09-26
高超聲速的實(shí)例教程
臨近空間高超聲速情報(bào)、監(jiān)視及偵察（ISR）飛行器具有飛行速度快、反應(yīng)時(shí)間短、突防能力強(qiáng)、作戰(zhàn)效能高等優(yōu)點(diǎn)，可以憑借速度和高度的優(yōu)勢完成普通飛行器無法完成的高難度情報(bào)、監(jiān)視和偵察任務(wù)，在軍事上具有巨大的戰(zhàn)略意義[1-2]。20 世紀(jì)初，美國就開展了高超聲速飛機(jī)的相關(guān)研究，并先后提出了多個(gè)概念方案。廖孟豪等[3]對美國軍方和軍工部門提出的4個(gè)高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)概念方案進(jìn)行了梳理，對比分析了各個(gè)概念方案的氣動(dòng)布局特點(diǎn)，分析認(rèn)為，美國高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)氣動(dòng)布局向提升低速特性、降低內(nèi)外流耦合程度、增加機(jī)身容量等方向演變。左林玄等[4]詳細(xì)總結(jié)了高超聲速飛行器的氣動(dòng)布局分類，并指出未來高超聲速飛行器的布局將向翼身融合布局和乘波體布局兩個(gè)方向發(fā)展。李憲開等[5]結(jié)合高超聲速飛機(jī)的需求，分析了高超聲速飛機(jī)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)存在的問題、難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。
氣動(dòng)布局技術(shù)是水平起降高超聲速飛機(jī)研制的核心技術(shù)之一。崔凱等[6-7]采用前體/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)思想，給出了一種雙旁側(cè)進(jìn)氣翼身融合體概念設(shè)計(jì)方案。國內(nèi)對高超聲速飛行器的相關(guān)研究日趨活躍，但對高超聲速飛機(jī)尤其是氣動(dòng)布局方面的研究還不多，而且缺乏具體的應(yīng)用背景和需求指標(biāo)牽引。劉濟(jì)民等對高超聲速ISR平臺的軍事需求進(jìn)行了分析，并對其在未來海戰(zhàn)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究[8]。根據(jù)軍事需求分析得到的能力需求，目前的技術(shù)發(fā)展水平和對未來作戰(zhàn)使用的基本構(gòu)想，對高超聲速ISR 平臺做以下技術(shù)想定，見表1。
展開 高超聲速技術(shù)[4,5,6]，尤其是以吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)作為推力元件的飛行器，它的設(shè)計(jì)是需要多種前沿技術(shù)的支持才能實(shí)現(xiàn)的。吸氣式高超聲速飛行器的飛行馬赫數(shù)范圍很寬，要跨越亞聲速、跨聲速、超聲速、高超聲速4個(gè)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(shè)計(jì)帶來很大的困難，必須攻克高超聲速飛行器機(jī)體/推進(jìn)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)、高超聲速空氣動(dòng)力/熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)材料等關(guān)鍵技術(shù)。可以這么說，高超聲速技術(shù)是航空航天各項(xiàng)前沿技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)。而該技術(shù)本身就涉及了許多學(xué)科，是諸多前沿技術(shù)的集合。高超聲速技術(shù)具有很強(qiáng)的前瞻性、戰(zhàn)略型和帶動(dòng)性，它
空間技術(shù)，武器系統(tǒng)的構(gòu)建乃至整個(gè)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步都的發(fā)展對未來軍事發(fā)展戰(zhàn)略[7,8]，
會(huì)產(chǎn)生重大的影響。
當(dāng)然，到目前為止，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展并不是很成熟，尚處于試驗(yàn)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(fā)動(dòng)機(jī)。鑒于現(xiàn)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(xù)的續(xù)航能力，這就需要從推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)角度對推進(jìn)系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行精心
吸氣式高超聲速飛行器設(shè)計(jì)中的一些概念研究；的設(shè)計(jì)和匹配；研究成功與否的關(guān)鍵，并且隨著飛行器工作馬赫數(shù)越高；為此，本文將對飛行器與推進(jìn)系統(tǒng)一體化問題進(jìn)行研究；然而只對推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化是不夠的，同時(shí)還需要飛行器與推進(jìn)系統(tǒng)從根本上實(shí)現(xiàn)一體化，對高超聲速飛行器進(jìn)行飛行器機(jī)體/推進(jìn)系統(tǒng)的一體化（Propulsion Airframe Integration, PAI）設(shè)計(jì)。所謂一體化設(shè)計(jì)技術(shù)是指通過飛行器和推進(jìn)系統(tǒng)的相互作用，獲得盡可能高的氣動(dòng)性能、推進(jìn)性能、穩(wěn)定性和控制特性[15]。
展開 該型戰(zhàn)斗部是目前公開資料披露的首個(gè)以3D打印為主要制造手段的高超聲速飛行器分系統(tǒng)產(chǎn)品，其成功制備與試驗(yàn)是高超聲速技術(shù)的一項(xiàng)重要突破，也是高超聲速發(fā)展過程中的一個(gè)里程碑。
據(jù)airforcemag網(wǎng)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(xué)會(huì)會(huì)議上，波音公司展示了新型“女武神”高超聲速無人機(jī)設(shè)計(jì)效果圖。此圖與2018年波音公司發(fā)布的效果圖有所不同，2018年發(fā)布的效果圖機(jī)頭很尖、脊背高，機(jī)身下方設(shè)有“二維”矩形進(jìn)氣道，很像上世紀(jì)八十年代制造的空天飛機(jī)（NASP）。新型“女武神”高超聲速無人機(jī)機(jī)頭扁平、機(jī)身較圓、機(jī)身下方兩個(gè)分立的“二維”矩形進(jìn)氣道延伸到尾桁，噴管采用塞式技術(shù)，機(jī)身更多地呈現(xiàn)出“乘波體”的形狀。
美國國防工業(yè)協(xié)會(huì)新興技術(shù)研究所執(zhí)行主任馬克·劉易斯認(rèn)為，新型“女武神”高超聲速無人機(jī)采用的是“組合循環(huán)”推進(jìn)系統(tǒng)，即起飛時(shí)采用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，當(dāng)無人機(jī)達(dá)到足夠大的超聲速時(shí)，再由超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。波音公司的這種設(shè)計(jì)方案汲取了美國宇航局（NASA）X-43高超聲速飛機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。
馬克·劉易斯指出，波音公司面臨的技術(shù)難題是“組合循環(huán)推進(jìn)系統(tǒng)接替工作”問題，即“在遠(yuǎn)低于超然沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的馬赫數(shù)飛行時(shí)，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)空中停車，這會(huì)造成無人機(jī)失去動(dòng)力，必須采用某種方法解決這一技術(shù)難題”。
馬克·劉易斯認(rèn)為，波音公司應(yīng)展開“熱結(jié)構(gòu)”復(fù)合材料的研究，以解決超高聲速飛行產(chǎn)生的高溫問題。“‘冷結(jié)構(gòu)’復(fù)合材料不能解決抗高溫問題，但具有某種‘熱保護(hù)’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(jī)的扁平狀機(jī)頭有助于提高飛機(jī)的隱身性，這種構(gòu)型“輻射的熱信號不會(huì)像人們想象的那樣明顯”。
轉(zhuǎn)自：全球航空資訊
展開 1月12-13日，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩機(jī)理、預(yù)測及控制方法研究”2018年度研討會(huì)在力學(xué)所懷柔園區(qū)召開。中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心計(jì)算所陳堅(jiān)強(qiáng)、袁先旭，超高速所張扣立、許曉斌，天津大學(xué)曹偉，清華大學(xué)任玉新、許春曉、肖志祥，國防科技大學(xué)易仕和，航天一院段毅、余平，以及力學(xué)所姜宗林、李新亮、申義慶等60余位專家出席會(huì)議。項(xiàng)目科技部責(zé)任專家何國威院士和航天一院十所總師閔昌萬應(yīng)邀到會(huì)指導(dǎo)。
“高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩機(jī)理、預(yù)測及控制方法研究”系國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“大科學(xué)裝置前沿研究”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目之一，包括邊界層轉(zhuǎn)捩風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究、轉(zhuǎn)捩機(jī)理與預(yù)測方法研究、轉(zhuǎn)捩建模與控制方法、轉(zhuǎn)捩模型飛行試驗(yàn)四個(gè)課題。力學(xué)所負(fù)責(zé)邊界層轉(zhuǎn)捩風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究。
此次會(huì)議共交流25篇學(xué)術(shù)報(bào)告，包括高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩的理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算等。力學(xué)所5篇報(bào)告參與交流，涉及到高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩的復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、直接數(shù)值模擬、新型數(shù)值方法、大渦模擬和轉(zhuǎn)捩控制等方面內(nèi)容。
會(huì)議期間，與會(huì)人員參觀了JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞和國際最大的平板、尖錐邊界層轉(zhuǎn)捩實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄩL度均超過3米，一般為1米以內(nèi)）。
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做仿真，除了自己信，別人都不信9個(gè)月前
而有的場景試驗(yàn)又很難涉足，比如等尺寸的飛機(jī)氣動(dòng)測試，比如火箭高超聲速運(yùn)動(dòng)，再比如沖擊爆炸問題，試驗(yàn)工程師看一眼就渾身發(fā)抖。
成本低是仿真的最大優(yōu)勢，因此其最適合用在產(chǎn)品開發(fā)初期的探索性設(shè)計(jì)和優(yōu)化。待初步定型之后再生產(chǎn)加工，做試驗(yàn)驗(yàn)證。
國內(nèi)長期以來都存在輕仿真重試驗(yàn)的情況：你如果看到一個(gè)企業(yè)只有仿真部沒有試驗(yàn)室，肯定會(huì)驚掉下巴，但反過來卻是常態(tài)。
智能流體仿真軟件AICFD 2025R1新版本功能介紹11個(gè)月前
圖3 多域多面體網(wǎng)格
3.可壓縮流動(dòng)
當(dāng)空氣流動(dòng)的馬赫數(shù)超過0.3時(shí)，其可壓縮性通常不可忽略，因此可壓縮計(jì)算是進(jìn)行超聲速乃至高超聲速流動(dòng)模擬的“敲門磚”。
AICFD 2025R1版本的求解器大幅提升了可壓縮計(jì)算能力，解決了高超聲速模擬的行業(yè)難題，且求解過程比同類軟件用時(shí)更短。
求解器包括 RANS、DES、LES，實(shí)現(xiàn)從低速到高超聲速流動(dòng)仿真。
wx_fmt=jpeg" width="100%"></p><p><br></p><p>可壓縮流動(dòng)按馬赫數(shù)大小可分為亞聲速流動(dòng)（Ma=0.3～0.8左右）、跨聲速流動(dòng)（Ma=0.8～1.2左右）、超聲速流動(dòng)(Ma=1.2～5.0左右)和高超聲速流動(dòng)（Ma>5.0）。
如建立了可指導(dǎo)工程應(yīng)用的單組元發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型；提出了真空發(fā)動(dòng)機(jī)高性能噴管設(shè)計(jì)的新方法；設(shè)計(jì)、建設(shè)了模擬高超聲速氣動(dòng)熱環(huán)境的低成本地面試驗(yàn)裝置；提出了高溫氣動(dòng)熱環(huán)境地面模擬參數(shù)相似的新準(zhǔn)則，有效擴(kuò)大了地面試驗(yàn)的模擬參數(shù)范圍。
近年論文
(1) 孫得川, 賢光. 超聲波測量大尺寸固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃速的關(guān)鍵技術(shù).
高超聲速流場變分光流粒子圖像測速方法研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2021.
[9] 朱海軍，王倩，梅笑寒，等. 基于高速紋影/陰影成像的流場測速技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2022, 36(2): 49–73.
[10] 王希麟，張大力. 兩相流場粒子成像測速技術(shù)（PTV—PIV）初探[J]. 力學(xué)學(xué)報(bào)，1998, 30(1): 5.
雖然CFD社區(qū)內(nèi)存在公開可用的數(shù)據(jù)庫，然而這些數(shù)據(jù)并不易于整個(gè)社區(qū)訪問，且對于高超聲速模擬驗(yàn)證和驗(yàn)證（V＆V）數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)庫仍有迫切需求。例如，在高超聲速模擬社區(qū)中，目前正在使用DNS模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為“真理”，以推動(dòng)改進(jìn)壁面分辨大渦模擬（WR-LES）、壁面模化大渦模擬（WM-LES）、非定常雷諾平均納維-斯托克斯方程（URANS）或RANS用于高超聲速飛行器仿真和設(shè)計(jì)。
高超聲速流動(dòng)是一個(gè)特別重大的挑戰(zhàn)。在這些應(yīng)用中，存在多種潛在的相互作用的不穩(wěn)定模式。此外，高超聲速躍遷對包括氣溶膠粒子和自由湍流在內(nèi)的環(huán)境擾動(dòng)高度敏感。在過去十年中，在理解接受過程和測量環(huán)境干擾方面取得了重大進(jìn)展。其他重要因素包括實(shí)際氣體效應(yīng)和燒蝕過程。在直接模擬轉(zhuǎn)捩流方面已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，雖然這代表了一個(gè)重大的進(jìn)步，但在建模的意義上，它并不能真正成為“集成轉(zhuǎn)捩預(yù)測”。
對于高超聲速流來說，考慮可壓縮性和熱物理性質(zhì)隨溫度的變化是很重要的。這將在選擇使用雙溫度模型時(shí)自動(dòng)完成，以確保使用適當(dāng)?shù)膶傩浴? 4、操作條件
設(shè)置操作壓力為0。
5、邊界條件
“inflow”邊界：如下，并設(shè)置溫度為250K。
求解器包括 RANS、DES、LES，實(shí)現(xiàn)從低速到高超聲速流動(dòng)仿真。
