氣動技術：飛行器設計的先行者

■記者 陳歡歡

2010年~2011年，美國高超聲速飛行器HTV-2連續兩次試飛失敗。失敗的原因可能很多，其中項目主管舒爾茲承認對飛行器的「空氣動力學現象存在認識上的盲區」。

中國空氣動力研究與發展中心研究員葉友達指出，近年來我國高超聲速飛行器多次成功試飛，說明我國在近空間的流動機理、飛行器布局設計與氣動特性預測、動穩定性、燒蝕防熱理論與方法等方面研究取得重要進展。

這一系列成績都離不開國家自然科學基金委重大研究計劃「空天飛行器的若干重大基礎問題」及前期項目對近空間飛行器環境的空氣動力學方面研究的支持。

首先，揭示了高超聲速條件下分離流動非定常特徵。科研人員發現一種從極限環起始的新的流動分離形態——封閉極限流面，進一步完善了運動壁三維非定常壁面分離判則。精細的流動測量技術和結果，對理論分析和數值模擬結果的驗證都具有重要價值。新的認識為近空間飛行器動態特性的研究打下了堅實的基礎。

其次，探索了高空、高溫非平衡效應與稀薄流效應耦合機理。高超聲速稀薄流動和化學非平衡流動及氣動加熱問題，涉及多尺度、多物理化學因素的耦合作用。項目組研究了高超聲速化學非平衡稀薄流動和銳前緣駐點氣動加熱特徵，建立了銳前緣氣動加熱受稀薄氣體效應耦合非平衡真實氣體效應的工程理論，對近空間高超聲速飛行器氣動特性預測具有重要的參考價值。

第三，探索了高空可壓縮湍流及轉捩機理。研究人員研究了高溫真實氣體效應對典型的高超聲速邊界層流動的擾動演化及轉捩特性，預測的轉捩發生的位置與流動參數的關係規律，對飛行器的氣動外形設計及熱防護有重要的參考價值；利用天河-II計算機系統開展了大規模的直接數值模擬計算，對研究近空間高超聲速飛行器摩阻的精細預測有重要意義。

第四，建立了新的高超聲速飛行器氣動熱測試手段和方法。相比於傳統測量方式，發展的磷光熱圖技術實現了飛行器熱環境的大面積高精度測量，數據量提高1-2個量級，實現了脈衝風洞試驗技術的跨越式發展。磷光熱圖技術已應用於多個高超聲速型號飛行器熱環境試驗預測，獲得了大量面測量試驗數據，為相關工程型號的熱防護設計及優化研究提供了數據支持。

第五，建立了氣動熱與防熱材料的耦合計算模型。研究人員發展了防熱與氣動加熱的一體化計算方法，為近空間高速飛行器設計中遇到的防熱材料燒蝕特性研究給予了關鍵的技術支撐。完善了關於高超聲速熱環境計算分析方面的基本方法和工具，並總結了變化規律。

第六，探索了新的飛行原理與氣動布局優化方法。完成了飛行器單自由度滾轉穩定性判據的風洞試驗和數值模擬驗證；開展了多自由度風洞動態試驗相似準則與試驗模擬方法研究；開展了乘波體飛行器靜穩定性設計研究，通過迎風面的修型，實現橫航向靜穩定；開展了主動防熱控制技術的可行性實驗驗證；建立的高超聲速風洞動態氣動力、熱精細測試技術已應用於近空間飛行器、高機動導彈的研製，為飛行器安全穩定飛行提供了理論支撐。

[責任編輯:白璐]