摘要：临近空间太阳能无人机是介于航空器与航天器之间的特殊飞行器。受太阳能电池的光电转换效率和储能电池能量密度的约束,提升临近空间太阳能无人机气动效率和螺旋桨推进效率是保证该类型无人机平台任务执行能力、具备永久飞行能力的重要技术途径。然而低雷诺数效应给全机增升减阻技术攻关和节能降耗的设计目标带来了严重困难和挑战。针对这一问题,本文从翼型设计、气动布局设计、螺旋桨/机翼气动耦合设计、流动控制技术、螺旋桨增效设计5个方面调研了临近空间太阳能无人机增升减阻技术的研究现状,梳理了现有增升减阻措施的技术路线,分析了不同增升减阻方法的优势与不足,最后针对临近空间太阳能无人机增升减阻技术的发展趋势给出了建议。

摘要：风洞天平的校准精度直接决定了风洞试验的气动载荷测量精度,为了提升天平校准的质量和效率,以BCS-100天平校准系统为研究对象,基于现代试验设计方法(modern design of experiments,MDOE)开展了风洞天平校准研究。针对单因子变量法(one factor at a time,OFAT)天平校准中存在系统误差与响应量耦合的问题,采用MDOE的随机、重复和分块策略控制校准的系统误差,并选定响应面理论的中心复合设计方法生成校准矩阵。校准矩阵共计86个样本点,包括64个分级因子点、12个轴向因子点和10个中心因子点,其中所有样本点的加载顺序做随机化处理,并作为一个样本块在短时间内集中完成加载,中心因子点则用于满足重复原则。最后开展了OFAT和MDOE的对比校准,拟合载荷的残差正态概率分布显示MDOE校准中横侧向分量的样本点独立性更强,样本点残差最高可降低84%;检验载荷显示MDOE和OFAT两种方法中天平所有分量的综合加载重复性持平,MDOE校准中横侧向分量的综合加载误差最高可降低54%。研究表明MDOE能够有效降低校准的系统误差,提升横侧向小量的预测能力。

摘要：基准流场的特性是影响乘波体外形和气动特性的核心因素,如何改进基准流场生成更符合需求的乘波体仍然是设计的难题。本文中采用参数化的方法设计导波体外形,并采用激波装配法求解基准流场,通过改变参数控制导波体外形,进而影响基准流场的特性,得到基准流场后,采用“平切激波面”的方法得到乘波面和乘波体。具体分析了导波体的水平面母线形式、钝头半径、下表面底部型线形状对所得乘波体的影响。结果表明:在导波体长宽高一定的情况下,水平面母线采用适当的外扩张形式,可以得到升阻比更大的、压心更靠前的乘波体;钝头半径越大,所得乘波体的升阻比更小,容积率更大,压心更靠前;底部型线外扩张的程度越大,所得乘波体升阻比更小,容积率更大,压心位置差别不大。

摘要：脉冲风洞是模拟高马赫数的重要地面设备,有效试验时间为毫秒量级,天平采集到的信号为气动力信号和振动产生的惯性力的合力,因此提高测量精度的途径之一为提高模型-天平-支杆组成的脉冲风洞测力系统(MBS系统)的固有频率,降低惯性力的占比。固有频率的提高必然导致天平灵敏度下降,对于高马赫数或小攻角的小载荷测量,过小的输出信号可能会淹没在噪音中。针对以上难题,将半导体应变计应用于天平设计中,达到提高天平刚度同时提高输出灵敏度,并应用动态补偿技术,缩短天平响应时间,降低试验不确定度。新天平静态校准表明,法向力校准结果优于3‰,俯仰力矩校准结果优于1‰,各分量输出提高约40倍;针对试验模型进行动态校准,设计动态补偿滤波器,加速试验输出信号收敛,提高数据品质。动态补偿后的测试系统响应时间可缩短至3 ms,可以满足有效试验时间为10 ms量级的脉冲风洞气动数据测量需求。

摘要：在应用乘波体设计气动布局时,一般默认乘波面不可修改,这带来了例如下表面修形困难、容积不可调等问题.文章提出乘波依赖区的概念,即决定乘波体主激波的物面区域,借助特征线理论,确定无黏轴对称超声速流场中激波依赖的流场区域,将此部分区域流场作为基准流场,追踪流线生成相应的乘波曲面即为乘波依赖区.根据斜激波理论初步分析了影响乘波依赖区大小的因素,并使用计算流体力学技术对保留不同乘波面范围的测试外形进行了验证,分析后缘截面及对称面流场激波结构及升阻力特性和纵向稳定性.结果表明,仅保留乘波依赖区即可维持主要的激波形状,使得激波附着于测试外形前缘,保持良好的乘波特性.乘波依赖区力图在不破坏乘波效应的基础上,确定乘波体的哪些区域可以修改,对乘波体扩容、减阻、宽速域设计和进气道安装布置具有一定参考意义.

摘要：火星探索项目是我国深空探测工程的重要组成部分,“天问一号”2021年成功着陆火星,是中国航天在火星探索研究迈出的一大步。火星大气的气氛主要以二氧化碳为主,表面气压远低于地球大气,由于大气成分和进入轨道的差异,火星进入器面临的热环境同地球返回器有很大不同,其进入过程为非空气介质的高速流动,将产生严重的气动防热问题。利用电弧风洞模拟火星进入器气动加热环境,是开展火星探测防热系统设计的关键。电弧风洞模拟火星进入高温过程,其主要过程是CO_(2)主导的离解反应,并且CO等高温离解组分与火星进入器防热材料相互作用,产生的催化效应会显著影响气动热环境。利用中红外量子级联激光吸收光谱测量技术,开展电弧加热火星进入流场特性的在线定量研究。电弧加热在线诊断研究利用CO在4.5μm附近中心波长为2212.625 cm^(-1)(v″=0,R(19))的谱线,实现了对火星地面流场的高信噪比测量,采用单线-直接吸收光谱诊断技术获得了自由流静温和关键组分CO摩尔浓度的实时测量结果。典型状态下,火星进入流场自由流静温和CO摩尔组分浓度在整个运行时间内保持稳定,显示出电弧加热流场良好的稳定性。六组重复试验显示自由流静温和CO摩尔组分浓度分别在(1757±69)K和(0.189±0.027)范围内,自由流温度波动≤3.9%,CO组分浓度波动≤14.3%,证明电弧风洞建立的火星地面流场具有非常好的重复性。基于该研究发展的电弧风洞中红外激光吸收光谱诊断技术,可以为研究火星进入器气动热环境和防热材料烧蚀-催化特性提供精细化测量能力。

摘要：基于动量叶素理论建立了涵盖悬停、倾斜前飞和高速巡航多飞行状态倾转旋翼气动性能计算模型,将计算模型配合NSGA-II多目标遗传算法(NSGA-Ⅱ),以倾转旋翼悬停、倾斜前飞和高速巡航飞行效率为优化目标,桨叶翼型展向分布、弦长和扭转角等参数为优化变量,设计了一款倾转旋翼。采用由经典的分离涡模拟方法(DES)改进得到的延迟分离涡模拟方法(DDES)对旋翼流场进行模拟仿真,捕获了较高精度的流场尾迹,分析了倾转旋翼流场的诱导速度分布,同时验证了动量叶素理论计算模型具有较高准确性和可信度。计算结果表明,同样飞行工况下,相较于原参考倾转旋翼模型,悬停效率从71.78%提高到75.34%,巡航效率从62.93%提高到71.32%。

摘要：为提高海上试验测试技术水平,设计一种实艇试验测控系统。采用计算机作为主控平台,以实艇推进器为研究对象,利用传感器完成对压力、扭矩等参数的采集,通过计算机屏幕显示并将数据储存在硬盘中。试验结果表明:该装置可实现对试验数据的采集与储存,为实现实艇海上试验提供条件支持,为无人艇的研究提供参考。

摘要：针对高马赫数超燃冲压发动机面临的高效燃烧组织挑战,本文提出了一种凹腔后缘激波强化的高马赫数超声速燃烧组织技术,并设计了一套燃烧室采用双侧对称布置凹腔结构的三维发动机试验模型。采用OH*基化学发光光谱诊断与壁面测压相结合的试验手段,在自由活塞驱动激波风洞的名义Ma=10流场中,对凹腔上游横向氢气射流的燃烧特性进行了研究,并讨论了模拟流场的重复性,给出了氢气燃烧演化特征、火焰稳定结构及释热特性。不同车次的总压等流场参数表明试验流场具有较高的重复性,可保障氢气燃烧特性的可复现性。通过观察试验过程中OH*基动态发光特征发现,在高焓激波风洞发动机试验中采用燃料提前喷注的方法使发动机流道在空气主流到来之前充盈大量的氢气,进而在主流到达发动机内的瞬间形成所谓“激波管流动-燃烧”效应,使来流空气与氢气接触面发生自点火与剧烈燃烧,产生显著不同于发动机正常工作情况下的点火与燃烧机制,但随着主流趋于平稳,“激波管流动-燃烧”效应消失,在高总温气流的自点火效应与凹腔后缘的X型激波耦合作用下,火焰稳定在凹腔上游近壁面区的氢气射流尾迹区和凹腔后缘附近的全流场中。通过分析壁面压力分布特征发现,凹腔后缘的X型激波实现了燃烧的强化与火焰的稳定,并获得了最显著的释热压升。这些结果表明高马赫数冲压发动机可利用凹腔后缘X型激波强化燃烧和稳定火焰。

摘要：粒子图像测速法(particle image velocimetry,PIV)因其非接触场测量的特性,已成为空气动力学领域的主要测量工具。复杂流动的速度场往往具有非均匀性,示踪粒子难以在待测空间均匀分布。因此,在应用PIV互相关算法处理粒子稀疏区时,需要采用更大的查询窗口以降低测量的不确定度,但会带来空间分辨率低的实际问题。而粒子追踪测速法(particle tracking velocimetry,PTV)追踪单个示踪粒子的跨帧位移,具有比PIV更高的空间分辨率,但难以适用于粒子浓度高的稠密区。针对PIV、PTV各自的优点,本文发展了一种基于粒子图像分割的混合PIV-PTV测速技术。首先定义了基于维诺多边形的粒子局部浓度量度,用以计算示踪粒子在粒子图像上的局部浓度场;其次通过设定的浓度阈值对粒子进行二分类,使用基于高斯核函数的支持向量机寻找出最优的分类边界,从而实现对粒子图像的粒子稀疏区和稠密区的划分;最后对两个区域分别使用PIV和PTV进行速度场计算,并合并为完整的速度场输出。仿真结果表明,上述方法可实现对粒子图像中的示踪粒子稀疏区和稠密区的自动划分,有效提高速度场测量的空间分辨率。将该方法应用在马赫数Ma=6的湍流边界层近壁测量中,可有效解决高速条件下粒子因强剪切难以进入边界层近壁区的问题,显著提高对近壁流动的解析能力。