高超聲速飛行器建模、分析與驗(yàn)證研究.pdf

1、高超聲速飛行器采用細(xì)長體結(jié)構(gòu)，乘波體構(gòu)型，吸氣式發(fā)動機(jī)位于機(jī)身下腹部，機(jī)身-發(fā)動機(jī)一體化設(shè)計(jì)，一般在空氣稀薄的近空間大氣層邊緣高速飛行，飛行環(huán)境復(fù)雜。在高速飛行中，獨(dú)特的一體化設(shè)計(jì)給飛行器帶來氣動和推進(jìn)系統(tǒng)的強(qiáng)耦合。同時(shí)，飛行器表面氣動布局和氣動加熱能夠降低飛行器剛度和頻率，使得機(jī)身極易發(fā)生彈性振動變形，從而影響飛行器表面氣動布局和發(fā)動機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)性能，產(chǎn)生氣動-彈性結(jié)構(gòu)-推進(jìn)系統(tǒng)之間的耦合特性。此外，氣流的熱粘性效應(yīng)、飛行條件的快速變化

2、、高溫尾氣效應(yīng)、邊界層效應(yīng)等都給高超聲速飛行器建模和控制器設(shè)計(jì)帶來巨大挑戰(zhàn)。
　　本文針對一類高超聲速飛行器幾何構(gòu)型，重點(diǎn)研究了高超聲速巡航飛行器剛體和彈性體建模和驗(yàn)證問題，主要研究工作可以概括如下：
　　1.針對高超聲速飛行器剛體模型，通過對飛行器表面流場特性、氣動布局及發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)理分析，采用斜激波膨脹波理論計(jì)算氣動力和力矩，采用一維流關(guān)系式和動量定理計(jì)算推力，建立了高超聲速飛行器剛體機(jī)理模型。并分析了飛行器表面氣動布

3、局，發(fā)動機(jī)內(nèi)部壓強(qiáng)分布、氣動力和力矩隨攻角、馬赫數(shù)及升降舵偏轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律等氣動特性。
　　2.針對高超聲速飛行器彈性體模型，將飛行器機(jī)身看做自由梁結(jié)構(gòu)，采用假設(shè)模態(tài)法估算了飛行器固有頻率和振型函數(shù)，建立了彈性振動方程。并考慮由于彈性變形引起的機(jī)體前體和后體變形角，計(jì)算了考慮彈性變形后的氣動力和力矩。采用活塞理論計(jì)算了彈性非定常氣動力，采用參考溫度法估算了氣流粘性效應(yīng)引起的附加升力、阻力和俯仰力矩，建立了考慮氣動-彈性結(jié)構(gòu)-推進(jìn)系

4、統(tǒng)之間耦合的高超聲速飛行器機(jī)理模型。并分析了飛行器固有頻率和振型函數(shù)的變化規(guī)律、粘性效應(yīng)對升力、阻力和俯仰力矩的影響及加入彈性和粘性后氣動分布情況等。
　　3.基于剛體機(jī)理模型和彈性體機(jī)理模型的氣動數(shù)據(jù)，采用曲線擬合方法，簡化復(fù)雜的力和力矩表達(dá)式，分別建立了高超聲速飛行器剛體和彈性體曲線擬合模型。在簡化的同時(shí)，滿足建模的精度需求，并保留機(jī)理模型中氣動與推進(jìn)耦合及氣動-彈性結(jié)構(gòu)-推進(jìn)系統(tǒng)之間的耦合。比較了剛體模型和彈性體模型的運(yùn)動模