临近空间高超声速滑翔机动飞行器是当前飞行器研制的一个重要发展方向,其机动飞行时具有如下特征：第一,由于飞行器需作滚动、侧滑、俯仰等机动动作,它诱发周围的空气流动是非定常的,因此飞行器的运动和流动是强耦合的,与此相关的气动力、气动热、流场的计算模拟以及实验都是动态的、耦合的非线性问题。第二,当飞行器进行有攻角飞行时,背风面和局部的物面折转处通常会出现非定常流动分离。什么是流动的非定常分离?它的性状与定常流动分离有何不同?它对飞行器的力、热及运动特征会产生怎样的影响?这些是需要研究的新问题。第三,在飞行过程中,希望飞行器的运动是稳定的和可控的,需要解决稳定和控制的耦合问题。因此,开展滑翔机动飞行的研究,要发展新的计算流体力学(CFD)的方法、新的实验方法和测量技术。同时也需要解决出现的两个重要理论问题：(1)什么是非定常流动的分离?(2)如何建立飞行器非线性动态稳定性的分析方法。本文就滑翔机动飞行中遇到的这两个问题进行了分析,发展了相关的理论和方法。非定常流动分离研究的主要内容是：流动在何时,何地发生分离与再附,分离线和再附线如何描述以及空间流态的发展情况如何?非定常流动分离可分为匀速运动物体上的非定常流动分离及非匀速物体上的非定常流动分离两种,在惯性坐标系内作运动的物体,非定常流动分离发生在物面外,很难分析。借助于固结在物体上的坐标系,前者可转为固定壁上的分离,流动仍由N-S方程描述。对于后者,在与物体固结的坐标系内,物面上的速度为零,即物面不动,但流动需用附加惯性项的N-S方程描述,直到现在还没有见到有人对此问题作过系统的研究。高超声速飞行器动态稳定性的研究开展得很晚。航空界飞机的动稳定性问题早已有了很多的研究,虽然其一些研究结果对高超声速可以借鉴,但是两者有重要区别。首先,临近空间飞行器高空飞行时,这里大气的密度低,在低空较小可以忽略的惯性力矩就必须考虑。其次,在飞机的动稳定性研究中,动态力矩用动导数表示,动导数经大量地面实验,飞行实验和理论分析已有了很好的经验公式表达,而高超声速飞行器很难通过这些手段获得成熟的动导数结果。另外,飞机动稳定性耦合分析多采用线性稳定性理论,可采用解耦的方法。而由于惯性耦合,高超声速的动稳定性问题难以采用解耦方法进行。虽然面临着这些困难,随着计算机和CFD方法的高度发展,高超声速飞行较难得到的动态系数和动导数可用数值解给出,这为高超声速飞行器动稳定性的耦合分析提供了可能。针对临近空间滑翔飞行器所面临的非定常流动分离与动态稳定性这两个非线性问题,利用定性分析与数值模拟相结合的方法,本文取得了如下研究成果：(1)实现并完善了张涵信院士对固定壁面三维非定常流动分离进行分析的理论框架。分析了分离线周围壁面极限流线的性状,研究了截面流态的分布规律以及旋涡截面流态及其沿轴向演变的规律。(2)对运动壁面,在与物体固结的非惯性坐标系内,研究了非定常流动分离问题,给出了分离条件。介绍了非惯性坐标系下流动分离条件的应用。(3)数值模拟给出了非定常流动分离的若干算例,对本文提出的固定壁面和运动壁面的流动分离条件及理论进行验证。(4)通过对三轴角运动的分析,建立了描述俯仰、偏航和滚动的三维近似方程,其内包含惯性力矩和利用数值解求得的气动力矩。采用数值方法求得的静、动导数和非线性理论,分析了俯仰、侧滑、滚动三者耦合的动稳定条件及其正滚、偏滚的两种情况。其分析结论是：对于面对称飞行器,在对称面滚转力矩为零时,如果俯仰、滚动、侧滑静态导数(mzα、mxγ、myβ)和动态阻尼导数(mxωx、myωy、mzωz)分别小于零,当俯仰角速度θ和滚转角速度γ分别时,俯仰拉起、侧滑运动、滚动运动对滚动角平衡位置(γ=0)是稳定的。式中ωx为绕x轴角速度,Ix、Iy、Iz为绕x、y、z轴的转动惯量。如果此条件不满足,飞行器的运动就会出现不稳定发散或急滚。对于面对称飞行器,如果在对称位置(γ=0)的滚转力矩(mx)。不为零,会产生偏滚,滚动的位置为：如果在此位置静稳定导数、阻尼系数都小于零,并且在γi处满足给出的上述稳定性判则,则在位置γi处飞行器的运动是动稳定的,否则是动不稳定发散的情形。上式中αx=(Iy-iz)/Ix,下标“0”表示的是对称位置。(5)数值模拟、风洞动态试验结果和本文的稳定性判则是一致的。