超声速喷流舵面干扰特性数值模拟及分析

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超声速飞行技术是当今各航空航天大国的研究热点之一,并被广泛地应用于战术战略导弹、高速载人、无人飞行器,在高效突防、远程快速运输等方面具有鲜明优势。由于飞行速度很快,飞行器的姿态和飞行轨道控制一直是飞行控制与设计中的关键问题。侧向喷流控制技术(也称为反作用控制系统,RCS,Reaction Control System)因其结构简单、快速响应等特点成为超声速飞行器尤其是超声速导弹控制中的优选的主动控制方案。由于超声速飞行器RCS喷流与舵面联合控制技术比单纯的喷流控制技术能使飞行器达到更好的控制性能,因此近年来引起了研究者们的高度重视。本文首先归纳与总结了国内外学者在喷流领域的研究成果,简要介绍了超声速来流与喷流干扰计算技术与应用的研究现状,论证了本文对喷流、超声速来流、舵面干扰研究的学术性、新颖性和应用价值。然后对本文研究所用到的计算方法、计算模型进行了简要介绍,完成了网格无关性验证、无喷/有喷状态下的数值计算方法验证与计算结果对比。根据本文研究所需,在被广泛应用的喷流力与力矩放大因子的基础上,推导了用于本文喷流干扰效应分析的多喷全局力/力矩放大因子、单喷/多喷舵面力放大因子等相关参数,定义了多喷干扰效应以更好的描述多喷流情况下的导弹气动性能干扰特性。根据研究的物理流动问题及本文研究的超声速喷流舵面干扰问题,以及确定好的喷口布局方案及主要的喷流与来流参数,建立了有/无前翼的细长体空空导弹气动外形模型。最后采用本文验证过的数值计算方法与计算分析模型,在喷流舵面干扰方面开展了对喷流参数、喷流数量与位置、有无舵面等三个方面的研究,完成了大量状态的计算并进行了系统的分析,包括对流场中的多种结构参数、相关的力/力矩放大因子、旋成体外形喷流中产生的喷流环绕效应及压力平台效应等。研究结果表明:1)单喷控制状态下,J2喷口为该有舵模型最佳喷口位置。2)对无舵模型,开启7个喷口时会获得最强姿态与轨道控制性能且更适合用于轨道控制。3)对有舵模型,喷流参数1情况下,开启2个喷口与1个喷口时喷流干扰效应分别对导弹的气动力与力矩增益率最大,开启5个喷口与7个喷口时分别获得最佳姿态与最佳轨道控制性能;喷流参数2情况下,开启4个喷口与2个喷口时喷流干扰效应分别对导弹的气动力与力矩增益率最大,开启6个喷口与7个喷口时分别获得最佳姿态与最佳轨道控制性能。4)本文研究成果在超声速空空导弹喷流控制技术方面具有较高的工程应用参考价值。本文最末对研究工作进行了总结与展望。
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