[發明專利]一種非穩態情況下飛行器空氣舵縫隙的氣動熱評估方法

有效

• 申請號: 201711117139.4
• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN107977491B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 聶亮;李宇;聶春生;檀妹靜;王迅;曹占偉;王振峰;周禹;閔昌萬;朱廣生
• 申請（專利權）人: 北京臨近空間飛行器系統工程研究所;中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/15;G06F119/08;G06F119/02
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張歡

一種非穩態情況下飛行器空氣舵縫隙的氣動熱評估方法，包括步驟如下：一、通過數值求解飛行器流場的N－S方程，獲得飛行器外壁表面熱流；二、對舵縫隙內是否存在非定常效應進行判斷并相應處理；三、獲得若干周期內舵縫隙區域特征點處定常方法的平均熱流；四、獲得若干周期內特征點處非定常方法的平均熱流并和定常方法結果比較，根據情況相應處理；五、獲得舵縫隙區域干擾因子，利用曲線擬合方法獲得干擾因子隨舵偏變化的分段解析函數曲線；六、將干擾因子的分段函數曲線嵌入到氣動熱工程計算程序，獲得飛行器在設定彈道時間段的舵縫隙區域熱環境結果。本發明在保證空氣舵縫隙氣動熱評估結果可靠性的同時能夠有效減小評估結果的冗余度。

技術領域

本發明涉及一種氣動熱評估方法。

背景技術

良好的控制特性和機動性對飛行器性能十分重要，而空氣舵是高超聲速飛行器進行姿態控制和維持穩定的重要部件，使得高超聲速飛行器離不開空氣舵的設計以及在飛行過程中空氣舵的頻繁擺動。由于結構特點及功能要求，使得空氣舵和飛行器艙體之間不可避免地會存在縫隙，如圖1所示，空氣舵縫隙區域一般包括空氣舵縫隙中與來流空氣接觸部分和空氣舵附近受空氣舵縫隙流動影響顯著的區域。空氣舵縫隙往往是飛行器流動規律最復雜、氣動加熱最嚴酷的區域之一。

在空氣舵縫隙流動復雜性的眾多表現中，非穩態是其特性之一。一方面，空氣舵縫隙內往往會存在不穩定的分離渦流動結構，這種流動結構可能形成非定常流動，而使得空氣舵縫隙內流動處于不穩定狀態；另一方面，出于飛行控制或姿態維持的需要，空氣舵需要頻繁擺動而使得空氣舵處于一種非穩態狀態中，這兩種情況下的空氣舵縫隙氣動熱評估統稱為非穩態情況下的空氣舵縫隙氣動熱評估。

通常情況下，高超聲速飛行器空氣舵區域的氣動熱環境評估基本方式是采用氣動熱數值計算和地面試驗相結合的方法進行，其中尤以數值計算能夠評估真實狀態下的氣動熱環境而被更廣泛地采用。從現有技術來看，定舵偏情況下的定常氣動熱模擬已相當普遍并在工程上廣泛采用，常用的手段是基于定常假設數值求解Navier-Stokes(N-S)方程而獲得空氣舵區域的熱流，但對計算過程中可能出現的非定常流動現象則關注不足。若按傳統方法，如果空氣舵縫隙內出現分離渦流動結構，渦的躥動導致空氣舵舵縫隙內干擾區模擬的熱流忽高忽低時，則根據數值模擬結果去取值則可能會取到極高值或極低值，得到的結果具有很大的不確定性，難以保證可靠；而如若采用非定常方法計算，則因其對計算資源的需求巨大而難以在工程上廣泛使用。

對于空氣舵頻繁擺動的情況，因氣動熱評估時數值模擬工作量巨大而通常采用極限舵偏包絡的方法進行彈道設計，極限舵偏情況下的熱環境往往非常嚴酷，給防隔熱方案設計帶來極大困難，經常因為空氣舵縫隙區域氣動熱評估結果過于嚴酷而使得方案難以閉合，也使得飛行器在研制過程中過多地受制于飛行器的姿控設計方案和空氣舵縫隙區域的防隔熱設計方案。

綜上，對于高超聲速飛行器空氣舵縫隙區域的氣動熱評估，是影響飛行器姿控系統設計和局部防隔熱設計方案的重點問題，也是當前設計水平下的普遍難點，如何準確、快速地評估空氣舵縫隙區域的熱環境，使之能夠為飛行器方案的設計提供準確的輸入，滿足飛行試驗的要求，十分迫切。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，針對空氣舵縫隙內產生的非定常流動現象和空氣舵工作時頻繁擺動這兩類非穩態問題而導致空氣舵縫隙區域氣動熱評估難以把握并且計算量巨大的問題，本發明提出了一種非穩態情況下空氣舵縫隙干擾區的氣動熱環境設計方法，能夠有效地考慮空氣舵縫隙內存在非定常流動時的氣動熱變化特征，建立空氣舵頻繁擺動情況下的空氣舵縫隙氣動熱評估方法，在可接受的計算資源耗費情況下，保證評估可靠性的同時有效減小評估的冗余度。

本發明所采用的技術方案是：一種非穩態情況下飛行器空氣舵縫隙的氣動熱評估方法，包括如下步驟：

步驟一、利用有限體積法或有限差分法數值求解飛行器流場的N－S方程，獲得飛行器外壁表面熱流，并獲取殘差收斂曲線；