高超声速飞行器先进气动布局的设计原理研究

航空科学技术Aeronautical Science &TechnologyNov.252020Vol.31No.1147-53高超声速飞行器气动布局与操稳特性研究左林玄*，尤明航空工业沈阳飞机设计研究所，辽宁沈阳110035摘要：本文介绍了高超声速飞行器气动布局分类,对钟形体布局、升力体布局、乘波体布局、翼身融合布局进行了分析说明，总结了高超声速飞行器气动布局的发展方向。

从稳定性和操纵性的维度对高超声速飞行器的操稳特性进行了分析，重点分析了在纵向静稳定性、航向静稳定性、副翼操纵效率、方向舵操纵效率等方面，高超声速飞行器区别于传统飞机的特点。

基于高超声速飞行器的操稳特性，给出了高超声速飞行器可行的升降舵、副翼、方向舵的使用策略。

关键词：高超声速飞行器；气动布局；操稳特性；乘波体布局；翼身融合布局中图分类号：V221.3文献标识码：A DOI ：10.19452/j.issn1007-5453.2020.11.006高超声速飞行器是指飞行高度在20~100km 之间，速度超过马赫数5的快速新型飞行器[1]，高超声速飞行技术是继发明飞机实现飞行、突破声障实现超声速飞行后，航空航天史上又一项具有划时代意义的新技术。

高超声速飞行器既包含以吸气式发动机为动力的飞行器，也包含无动力或采用其他推进方式的可重复使用运载器、再入飞行器等。

高超声速技术涉及总体、气动、推进、结构、材料、热防护、控制等众多学科，对科技和工业的发展具有极大的带动作用。

因此，世界各军事强国积极探索高超声速技术，按照近期目标为高超声速巡航导弹、中期目标为高超声速飞机、远期目标为空天飞机持续开展相关技术研究，包括美国的Hyper -X 计划、HyFly 计划、HyTech 计划等，俄罗斯的“冷”计划、“鹰”计划等，法国的组合吸气式发动机计划（JAPHAR ），英国的“云霄塔”等[2-6]。

本文从高超声速飞行器气动布局与操稳特性角度出发，对典型的高超声速飞行器气动布局进行分析，并分别从稳定性、操纵性、机动性等方面对高超声速飞行器的操稳特性进行分析与评估。

高超声速飞行器设计与研发的关键问题高超声速飞行器（Hypersonic Aircraft）是指在大气层中飞行时速度超过5马赫（即每小时约6100公里）的飞行器。

随着科技的不断发展，高超声速飞行器的研发成为当前领域的热点之一。

本文将围绕高超声速飞行器的设计与研发，探讨其关键问题和挑战，并分析可能的解决方案。

一、材料选择与热防护高超声速飞行器面临的第一个关键问题是材料的选择和热防护。

由于飞行速度非常快，飞行器会受到极高温度的影响，这对材料的性能提出了极高的要求。

传统的金属材料往往难以承受高超声速飞行时产生的巨大热量，因此需要开发新的热防护材料。

炭化硅陶瓷材料等新型复合材料被认为是理想的选择，具有良好的抗高温性能。

二、空气动力学特性高超声速飞行器的空气动力学特性是其设计与研发过程中的另一个关键问题。

高超声速飞行时，飞行器将遭遇极大的空气阻力和压力，必须具备良好的空气动力学性能才能保持稳定和安全的飞行。

优化飞行器的外形、减少阻力、提高升力，采用气动热管理技术等方法可以改善其空气动力学性能。

三、推进系统推进系统是高超声速飞行器设计与研发的另一个关键问题。

由于高超声速飞行速度非常快，要求推进系统能够提供足够的推力。

目前常用的推进系统包括火箭发动机和超燃冲压发动机。

火箭发动机提供了巨大的推力，适合于高超声速飞行器的起飞和初段加速。

而超燃冲压发动机则具有较高的燃烧效率和较长的续航能力，适合高超声速飞行器的巡航和长程飞行。

四、飞行控制与导航飞行控制与导航是高超声速飞行器设计与研发的重要问题。

由于高超声速飞行器的速度极快，对飞行控制和导航系统的要求也很高。

需要采用先进的飞行控制算法、高精度的导航设备以及实时的飞行状态监测系统，确保高超声速飞行器能够精确控制航向、高度和速度。

五、飞行安全高超声速飞行器的飞行安全是设计与研发过程中的最终关键问题。

高超声速飞行器面临着由于飞行速度快、温度高、气动力复杂等因素带来的各种飞行安全挑战。

高超声速飞行器技术研究第一章研究背景高超声速飞行器技术是目前国际上航空飞行领域最具前沿性的重要研究方向之一。

这种新型飞行器能够在大气层极高速度下飞行，具有极强的机动能力和抗干扰能力，实用价值极高。

目前，美国、俄罗斯、中国等国家都在积极开展高超声速飞行器技术研究，目的在于提高自身国防实力，并拓展民用领域的应用前景。

第二章技术现状目前，全世界在高超声速飞行器技术方面的研究可分为两大类，即飞行器的气动布局和运动控制。

在气动布局方面，高超声速飞行器主要分为气动光滑体、球弹、掠面机翼等几种形式。

在运动控制方面，高超声速飞行器涉及多学科交叉，主要包括热防护材料、涡流制动、魔方阵控制等方面。

在美国，高超声速技术一直是国防部关注的重点领域。

美国空军和海军等军方单位已经开展了多年的高超声速飞行器研究，先后研制出多款高超声速飞行器，如X-51Waverider、X-43A、X-15等。

我国自2000年开始开展高超声速技术研究，随着国家实力的不断增强，高超声速飞行器技术也取得了长足发展。

中国航空航天工业集团、中国航天科技集团等国内航空工业领域企业已相继进行高超声速飞行器技术研究和开发计划，取得了多项成果，推动了我国高超声速技术的发展。

目前，我国的高超声速技术主要应用于航空军事、纵深打击、反导拦截和航空航天探测等领域，同时对于物理科学、可再生能源、环保等方面也有着广泛的探索和研究。

第三章技术难点高超声速飞行器技术的研究难点主要集中于以下几个方面：1. 气动布局方面。

高超声速飞行器面临着气动热、气动力等诸多问题，设计合理的气动布局是高超声速飞行器研究的重中之重。

2. 热防护材料方面。

高超声速飞行器的速度较快，摩擦加热程度极高，需要采用超高温热防护材料。

3. 运动控制方面。

高超声速飞行器的机动和操控能力需要达到极高水平，运动控制的研究和应用是高超声速飞行器研究的重要目标。

第四章技术前景高超声速飞行器技术的应用前景非常广阔。

高超声速飞行器气动热力特性的数值模拟研究高超声速飞行器是目前航空领域的一个热点研究方向，它的研制不仅能够提升我国军事实力，也有望推动民用航空、航天领域的科技进步。

由于高超声速飞行器飞行速度极快，所以它在飞行过程中面临着高超声速湍流、高温高压等复杂的热力学问题。

为了保证飞行器的安全性能和稳定性，对其气动热力特性的数值模拟研究变得非常必要。

高超声速飞行器气动热力特性的数值模拟主要包括了流动、传热、化学反应等多个方面的问题。

在数值模拟中，采用计算流体力学（CFD）方法对流场进行求解，采用传热计算和化学反应模型对传热和化学反应过程进行研究。

下面分别就高超声速飞行器气动热力特性的数值模拟研究的三个方面进行介绍。

一、流动问题高超声速飞行器在飞行过程中会遇到高超声速湍流，这会对飞行器产生极大的影响。

在进行数值模拟的时候，首先需要对高超声速湍流进行计算。

我们采用雷诺平均 Navier-Stokes（RANS）方程模型对流场进行求解。

目前基于RANS方程的数值模拟已经相对成熟，但需要考虑气体的非平衡效应和高温高压下的热化学反应。

基于高精度的物理或化学模型以及分布式计算的方法，数值模拟在计算复杂流动现象中的应用正在得到越来越广泛的认可。

二、传热问题高超声速飞行器在高速飞行过程中，面对着极高的温度和压力，因此热力学问题是高超声速飞行器的重要研究方向之一。

传热问题一般采用计算热力学的方法进行求解。

对于高超声速飞行器，传热问题涉及到较为复杂的物理过程，如辐射传热、对流传热、传导传热等。

采用数值模拟的方法可以帮助研究人员更好地了解这些问题的本质，进一步优化高超声速飞行器的设计和研发。

三、化学反应问题随着高超声速技术的发展，越来越多的研究关注于发动机喷流的燃烧问题。

高超声速飞行器在飞行过程中，涉及到的气体流动复杂、温度高、压力大等问题，这使得燃烧过程变得异常复杂。

在这种情况下，采用化学反应模型对燃烧过程进行分析变得尤为重要。

研究超音速飞行器的气动特性和空气动力学性能超音速飞行器是一种飞行速度高于音速的飞行器，通常被用于军事和民用领域。

超音速飞行器的气动特性和空气动力学性能是影响其飞行安全和性能的重要因素之一。

本文将深入，分析其对飞行器飞行行为的影响。

首先，超音速飞行器的气动特性主要包括气动外形设计、机翼布局、气动力学参数等方面。

气动外形设计是影响超音速飞行器气动特性的关键因素之一，不同的外形设计会对飞行器的空气动力学性能产生重要影响。

例如，流线型的外形设计可以减小飞行器的阻力，提高其超音速性能；而不合理的外形设计可能导致飞行器出现空气动力学失速等问题，影响飞行器的飞行稳定性和控制性能。

其次，超音速飞行器的空气动力学性能主要包括升力、阻力、气动力矩等方面。

升力是飞行器飞行过程中产生的垂直向上的力，可以支撑飞行器的重量，使其脱离地面并保持飞行姿态稳定。

在超音速飞行器的设计中，如何有效地提高升力并减小阻力是提高飞行性能的关键问题之一。

同时，气动力矩也是影响飞行器姿态稳定性的重要因素，良好的气动力矩设计可以保证飞行器在飞行中保持良好的姿态控制。

此外，超音速飞行器的空气动力学性能还受到飞行速度、高度、气流条件等外部环境因素的影响。

在不同的飞行速度和高度下，飞行器所受到的空气流动条件会发生变化，从而影响飞行器的气动特性和空气动力学性能。

因此，超音速飞行器的设计和性能评估需要考虑到实际飞行条件下的气动特性和空气动力学性能，以保证飞行器在设计工作范围内具有良好的飞行性能和飞行安全性。

梳理一下本文的重点，我们可以发现，通过深入研究超音速飞行器的气动特性和空气动力学性能，我们可以更好地理解超音速飞行器的设计原理和飞行特性，为超音速飞行器的设计、制造和运行提供重要的理论基础和技术支持。

在未来的研究中，我们可以进一步深入探讨超音速飞行器的气动特性和空气动力学性能，在实际飞行试验和仿真模拟中验证研究成果，为超音速飞行器的发展和应用做出更大的贡献。

高超声速飞行器气动热环境与防护研究高超声速飞行器是一种飞行速度超过5马赫（约6147 km/h）的飞行器，其在大气层中会面临极端的气动热环境。

由于高速飞行时会产生大量热能，高超声速飞行器需要在高温、高速飞行环境下保持稳定性以及飞行器结构的完整性。

高超声速飞行器的气动热环境主要包括两个方面：气动力和热环境。

在高速飞行过程中，气体会因空气动力学效应产生巨大的气动力，而高速飞行所产生的气动力会给飞行器结构带来巨大的振动和应力。

同时，由于高超声速飞行器在高速飞行过程中会面临高温环境，飞行器表面温度会升高，导致飞行器结构的热胀冷缩问题，从而对飞行器的结构完整性和飞行性能产生不利影响。

为了研究高超声速飞行器的气动热环境和制定相应的防护措施，科学家们进行了大量的实验和数值模拟。

通过实验方法，可以测量飞行器模型在高超声速飞行时所受到的气动力和热负荷，了解其荷载特征和分布情况。

同时，实验还可以通过测量飞行器表面的温度分布，了解其热胀冷缩情况，验证数值模拟结果的准确性。

在数值模拟方面，研究人员通常使用计算流体力学（CFD）方法来模拟高超声速飞行器的气动热环境。

CFD方法可以通过数值计算飞行器周围流场中的气动力和热传输过程，得到飞行器表面的温度分布和流场压力分布等关键参数。

通过数值模拟可以快速获得大量的数据，加深对高超声速飞行器气动热环境特性的理解，并为制定相应的防护措施提供支持。

基于对高超声速飞行器气动热环境的研究，科学家们提出了一系列的防护措施，以确保飞行器在高速飞行过程中的安全性和稳定性。

其中包括以下几个方面：首先，飞行器的结构设计必须能够承受高速飞行带来的巨大气动力。

科学家们通过优化飞行器的外形和减小飞行器的质量，降低飞行器受到的气动力，从而减小飞行器的振动和应力。

此外，还可以采用结构材料的高温耐受性更高的材料，提高飞行器的整体热稳定性。

其次，通过对飞行器进行热防护，降低其表面温度。

研究人员提出了多种热防护材料，例如陶瓷材料、热隔离涂层等，可以有效地减少表面温度的升高，减轻飞行器的热胀冷缩问题。

高超声速飞行器先进气动布局的设计原理研究杜涛;陈宇;蔡巧言;吴彦森【摘要】The contradiction between the higher performance and the humble controllability becomes more and more serious as higher and higher flight performance is required,the tradition-al three-axis static stability principle is not appropriate to the configuration design for new gener-ation hypersonic vehicle,whose flight performance requirement will exasperate the control per-formance.It is necessary to explore a new configuration design principle,which expands the a-vailable design space and creates possibilities for higher performance hypersonic vehicle.In the new method,the lateral and directional performance is dealt with as a unity.From the overseas experience,Cnβ-dyn (Dynamic Directional Stability Parameter)and LCDP (Lateral Control Depar-ture Parameter)can be used to classify the open-loop and close-loop lateral-directional model characteristic well and truly,which can be adopted as the advanced criterion for aerodynamic con-figuration design.According to thec ombination of Cnβ-dyn and LCDP ,three typical states of a cer-tain hypersonic vehicle are research objects,and open-loop mode characteristic and close-loop mode characteristic for six kinds of feedback performance are investigated with root locus method in this paper.Elementary result shows the controllability and close-loop feedback characteristic are closely connected with different areas divided by these two combination parameters,and Cnβ-dyn and LCDP parameter can be used as theaerodynamic configuration design criterion.%随着新一代高超飞行器性能的要求越来越高，飞行性能提高和可操纵性下降之间矛盾问题凸显出来，传统的三通道静稳定设计判据，所能提供的设计区域非常狭窄，以往通过牺牲飞行性能确保操作性的做法已经不可取。

高超声速飞行器的气动特性研究一、前言高超声速飞行器是目前国际上研究的热点之一，具有非常重要的军事和民用价值。

然而，由于其飞行速度远远超过常规飞行器，因此其气动特性也非常独特，需要进行深入的研究和探索。

本文将讨论高超声速飞行器的气动特性研究。

二、高超声速飞行器的气动特性1.高超声速飞行器的定义及特点高超声速飞行器（Hypersonic vehicle，简称HSV）是指飞行速度超过5马赫（即五倍音速）的飞行器。

在实际应用中，通常把马赫数大于10的飞行器称为“高超声速飞行器”，而把马赫数大于5但小于10的飞行器称为“超音速飞行器”。

高超声速飞行器具有极高的速度和机动性，具有很强的反制敌军能力，同时还能大幅度提高远程打击能力，具有重大的军事价值。

另外，在民用领域，高超声速飞行器也有着广泛的应用前景，比如在航天领域中，可以大幅度提高飞行器的载荷能力和进出轨道的速度等。

2.高超声速飞行器的气动特性高超声速飞行器的气动特性十分独特，主要表现在以下几个方面：(1)大气力学特性复杂。

高超声速飞行器飞行时，其周围的气体会发生各种各样的流动现象，如激波、边界层、湍流等，这些现象极大地影响着飞行器的飞行特性。

(2)气动热力学效应显著。

由于高超声速飞行器的速度非常快，其周围的气体会发生显著的热化现象，这种现象会大幅度影响着飞行器的空气动力学特性。

(3)滑翔比低。

高超声速飞行器一般采用滑翔的方式飞行，而且由于其速度过快，其滑翔比通常较低，需要采取一些特殊的设计措施来确保飞行器的安全和稳定性。

(4)控制性差。

由于高超声速飞行器的速度非常快，其机动性较差，同时控制难度也比较大，需要采用一些特殊的控制手段和技术来保证飞行器的安全和稳定性。

三、高超声速飞行器的气动特性研究1.高超声速飞行器的气动特性研究意义高超声速飞行器的气动特性研究对于掌握高超声速飞行器的飞行性能和工作原理、设计性能和结构优化等方面具有非常重要的意义。

其主要意义可以总结为以下几点：(1)为高超声速飞行器的设计、制造和飞行提供理论依据和技术支撑；(2)为高超声速飞行器的性能评估和优化提供基础数据和方法；(3)为高超声速飞行器的控制和导航提供参考和支撑；(4)为高超声速飞行器的应用和发展提供技术保障和支撑。

超高速飞行器气动热效应研究引言随着工业技术的发展，人类对于高速飞行技术的研究越来越深入。

超高速飞行器的出现，不仅可以提高人们在太空科学领域探索和应用的能力，更可以为人们创造新的交通工具。

超高速飞行器的研究涉及多个学科领域，其中气动热效应是其中一个重要的方面。

本文将详细介绍超高速飞行器气动热效应研究的相关内容。

一、超高速飞行器概述超高速飞行器是指在大气层内或受大气影响下运行的飞行器，速度远远超过常规飞机和导弹的速度，通常在7马赫以上。

超高速飞行器主要包括重返式飞船、高超声速飞机和短程导弹等。

这些飞行器需要承受极高温、极高速和强气动负载等极端条件，因此对于材料的要求也非常高。

二、气动热效应高速飞行器的速度非常快，当高速运动的飞行器与空气接触时，会产生极高的气动负载和摩擦热。

因此，气动热效应也是高速飞行器研究中一个非常重要的方面。

气动热效应涉及到的热学效应有多种，包括气动加热和辐射加热等。

气动加热气动加热是高速飞行器沿飞行方向运动时所面临的最主要的热负荷。

当高速飞行器沿飞行方向运动时，在飞行器前缘和激波前面的一段区域内，气体的压力和温度都会急剧升高。

这时，高温高压的气体会冲击到飞行器表面，瞬间将气体的动能转换为热能，产生气动加热。

辐射加热辐射加热是指高速飞行器表面和外部热环境之间的热交换，主要包括向空间的辐射热、向飞行器表面反射的太阳热、大气层内吸收的太阳辐射热以及大气层内反射的太阳辐射热等。

这些因素都会对高速飞行器表面产生热负荷，从而影响其耐热性能。

三、1.实验研究实验研究是研究高速飞行器气动热效应的最主要方式。

为了进行气动加热效应研究，研究人员常常使用大型气动热试验设备，如水冷导热管试验台和高速风洞试验台等，将气动负荷和高温下的材料响应进行测试和研究，从而提高高速飞行器的热性能。

2.仿真模拟仿真模拟也是高速飞行器气动热效应研究的重要手段之一。

利用现代计算机技术，可以对高速飞行器和大气层之间的热交换过程进行数值仿真。

高超声速飞行的气动热特性分析在现代航空航天领域，高超声速飞行技术正逐渐成为研究的焦点。

高超声速飞行是指飞行器的速度超过 5 倍音速，在这种极端条件下，气动热问题成为了制约飞行器性能和安全性的关键因素。

当飞行器以高超声速飞行时，空气与飞行器表面之间的剧烈摩擦会产生大量的热量，导致飞行器表面温度急剧升高。

这种高温不仅会对飞行器的结构材料造成严重的损伤，还会影响飞行器的气动特性和飞行性能。

首先，来看看高超声速飞行中的热流分布特点。

在飞行器的前端，如机头、机翼前缘等部位，由于空气受到强烈的压缩和阻滞，热流密度极高，形成所谓的“热斑”区域。

而在飞行器的侧面和后缘，热流密度相对较低，但整体的热量累积仍然不容忽视。

飞行器的外形设计对气动热特性有着显著的影响。

尖锐的前缘可以有效地减少激波的强度，从而降低热流的产生。

而光滑的表面有助于减少气流的分离和摩擦，降低热量的生成。

例如，采用流线型的外形能够减少空气阻力，同时也能在一定程度上降低气动加热的程度。

材料的选择在应对高超声速气动热问题中至关重要。

传统的金属材料在高温下容易软化甚至熔化，无法满足高超声速飞行的要求。

因此，新型的耐高温材料，如陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料等，逐渐成为研究和应用的热点。

这些材料具有出色的耐高温性能和机械强度，能够在极端的热环境中保持稳定。

高超声速飞行中的气动热还会引起气流的化学变化。

高温使得空气中的分子发生解离和化学反应，产生新的物质和能量传递过程。

这进一步增加了气动热问题的复杂性，需要在理论分析和实验研究中加以考虑。

在实验研究方面，风洞试验是研究高超声速气动热特性的重要手段。

通过在风洞中模拟高超声速飞行的条件，可以测量飞行器表面的热流、温度等参数，为理论分析和数值模拟提供验证数据。

然而，风洞试验也存在一些局限性，比如难以完全模拟真实的飞行环境和长时间的加热过程。

数值模拟在高超声速气动热研究中发挥着越来越重要的作用。

通过建立数学模型和运用计算流体力学（CFD）方法，可以预测飞行器在高超声速飞行时的气动热分布和流场特性。

高超声速变体飞行器宽速域气动特性研究罗世彬;岳航;刘俊;宋佳文;曹文斌【期刊名称】《Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics》【年(卷),期】2024(41)2【摘要】宽速域飞行是高超声速飞行器的重要设计目标和发展方向。

然而,复杂的环境变化给固定外形飞行器在不同飞行条件下的气动布局设计带来了矛盾。

高超声速变体飞行器可以通过呈现不同的构型来适应各种飞行条件并满足性能要求。

本文通过数值模拟的方法来研究折叠翼高超声速飞行器的气动性能。

研究重点是在不同飞行高度和马赫数下,探究不同机翼折叠状态对应气动布局的升阻比、纵向静稳定性和航向静稳定性。

比较了不同机翼折叠角度(0°、45°、90°)对气动性能的影响。

结果表明,在所研究的整个速度范围内(Ma=0~5),较小的机翼折叠角会导致较高的升力系数、阻力系数和升阻比。

机翼折叠角为0°时,升阻比最高。

在纵向稳定性方面,折叠角度较小的布局具有更好的纵向稳定性。

随着马赫数的增加,不同折叠角度之间的纵向稳定性差异最初减小,然后增大。

静态稳定裕度从1∶0.95∶0.84变为1∶0.98∶0.88,后变为1∶0.89∶0.79。

此外,具有较大机翼折叠角的构型表现出更好的航向稳定性。

所有3种机翼折叠布局状态在低速飞行阶段都是航向静稳定的。

随着马赫数的增加,0°和45°折叠角逐渐变得航向静不稳定。

【总页数】18页(P184-201)【作者】罗世彬;岳航;刘俊;宋佳文;曹文斌【作者单位】中南大学航天技术研究院【正文语种】中文【中图分类】TN925【相关文献】1.新型宽速域高超声速飞行器气动特性研究2.宽速域变构型高超声速飞行器气动特性研究3.高超声速飞行器宽速域翼型高效多目标优化设计方法研究4.航空科学技术“高超声速飞行器宽速域气动特性研究”专刊征稿通知因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

航空航天超音速飞行的气动设计原理航空航天领域一直在不断推动飞行速度的突破，其中超音速飞行是一种具有挑战性的技术。

超音速飞行涉及到许多复杂的气动设计原理，本文将探讨其中关键的原理和设计考虑。

1. 高速气流特性在超音速飞行过程中，飞行器所受到的空气流动速度远超声速，气流变得高速而复杂。

首先，要考虑飞行器表面的空气动力学特性，例如，激波、震荡层以及剪切层等。

这些特性会对飞行器的稳定性、抗拉和推力分布产生影响。

2. 翼型设计翼型是超音速飞行中最关键的设计要素之一。

合理的翼型设计可以最大程度地减少气动阻力并提供所需的升力。

超音速飞行的翼型通常具有较小的厚度和强烈的上升力梯度，以便在高速飞行时提供足够的升力。

此外，翼型的前缘也需要考虑到激波的产生和传播，以保证飞行器的稳定性和操纵性。

3. 飞行器的外形设计超音速飞行器的外形设计对于减小空气动力学阻力和实现稳定飞行至关重要。

外形设计需要考虑到激波的形成、流场的充分分离以及气动热效应等因素。

最佳的外形设计应该能够减少震荡层和剪切层的存在，同时减小激波对飞行器的阻碍。

4. 控制面设计超音速飞行器的控制面设计对于精确控制飞行器的姿态和航向至关重要。

控制面通常包括副翼、配平舵和方向舵等。

在超音速飞行中，控制面需要具有较小的尺寸和高的灵敏度，以便迅速响应操纵输入并实现精确的飞行控制。

5. 发动机喷口设计超音速飞行器的发动机喷口设计也是一个重要的考虑因素。

喷口的设计需要最大程度地减小尾迹阻力和阻尼，以提高飞行器的速度和燃料效率。

此外，喷口的形状和角度也会对飞行器的气动稳定性产生影响。

6. 材料选择与热防护超音速飞行器在高速飞行时会受到极高的气动热效应影响。

为了保护飞行器的结构和有效避免热失效，需要选择适合的材料和进行有效的热防护设计。

热保护涂层、耐高温材料以及冷却系统等都是热防护的关键。

7. 数值模拟与实验验证设计气动原理是通过数值模拟和实验验证进行的。

气动设计过程中的计算流体力学模拟和试验数据验证对于确保飞行器的性能和安全至关重要。

高超音速飞行器高空飞行气动特性研究1近空间飞行器气动特性研究1,21,23 蒋勤学叶友达卢笙(1 国家计算流体力学实验室, 北京 100083;2中国空气动力研究与发展中心，绵阳 621000;3北京航空航天大学宇航学院，北京 100083)高升阻比外形飞行器在高空巡航时，空气密度随高度变化，当飞行到一定高度时摘要必须考虑高空低密度效应。

在壁面区域，无滑移条件不再成立，采用滑移条件才能较好的描述，而在流动的其它区域，连续介质模型仍然成立，控制方程采用N-S方程。

本文通过在壁面考虑有滑移的壁面条件对高超声速飞行器在不同高度飞行状态进行数值模拟，并对气动力特性进行了分析。

关键词高超声速滑移条件数值模拟1、引言飞行器处于高超声速飞行时，高空的密度和压力随高度增加而降低，高马赫数，低雷诺数是周围绕流流场的主要特征。

周围流场仍然使用连续介质模型，飞行器壁面采用无滑移壁面。

但当飞行高度进一步升高，伴随着雷诺数的减小，在固壁附近连续介质假设不再成立，Kn数表现出高空低密度效应。

在此区域，分子的平均自由程变大，连续介质模型不再适用。

,的定义为分子平均自由程与流动的特征尺度L之比:,,KnL (1)KnKn,0.01Kn,0.01可以按照数的大小进行流动分区，当时，可将气体视为连续介质，当时为稀薄流区。

[2]若以雷诺数和马赫数判断时，流动分区为: ReM,,连续流区M,,0.01Re, (2) 滑流区M,0.01,,1Re, (3) 过渡流区MM,,,10,,1ReRe,, (4) 自由分子流区, 基金项目:国家自然科学基金资助项目(90505016，10321002)M,,10Re, (5) 该效应使无滑移的壁面边界条件不再成立，壁面上将出现速度滑移和温度跳跃。

由于高空飞行雷诺数较低，流动为层流。

本文采用高超音速的升力体外形的三维绕流流场进行了数值模拟，求解了完全气体的N-S方程，对壁面采用无滑移条件和滑移条件。

高超声速飞行器结构设计及性能优化研究最近人类对高超声速飞行器的研究越来越深入，这种飞行器可以在极短的时间内飞行到世界的任何一个角落，它有着极高的速度和高超的性能，但是它的结构设计和性能优化还需要进一步研究。

一、高超声速飞行器的概念和基本结构高超声速飞行器的速度可以超过马赫数的5倍，他的工作机制是利用气动力学和化学强力的相互共同作用实现的。

这种飞行器的主要构件包含导热结构、热防护结构以及喷气发动机等。

导热结构：高超声速飞行器在高速工作时会产生极高的温度，导热结构的重点在于抵挡高温热流和隔热，它的主要结构由夹层复合材料构成，可以有效地防止热传导。

热防护结构：热防护结构主要是用来抵抗高温、高速飞行器时产生的热量影响和烧蚀，其材料通常包括石墨、金属等等。

喷气发动机：高超声速飞行器的发动机由多个燃烧室组成，它的燃烧室可以产生高温高速气流，同时也负责将高速气流排出，以获取更高的速度。

二、高超声速飞行器的性能优化高超声速飞行器的性能优化是设计和改进其机构的关键细节，下面介绍几种优化手段。

1、材料选择及结构设计材料的选择是高速飞行器能否成功的重要因素之一。

材料应该具有耐高温和耐腐蚀等多种特性，而且应该结合现代迭代的中空结构和套筒结构设计，以确保最大程度地优化飞行器的性能。

2、热防护结构性能改进在高超声速飞行器的设计中，热防护结构的选择非常重要。

其主要目的是为了抗击腐蚀和温度，同时，它也要保护飞行器外表面的结构，以免受到破坏。

3、轻质化减重减轻高超声速飞行器的重量可以有效地提高整个飞行器的性能。

在设计高超声速飞行器时，应考虑不同材料和结构的好处，以最小化飞行器的重量。

4、能源技术优化在高超声速飞行器的设计中，能源技术的改善必不可少。

利用新型的燃料，改进发动机设计能够大大提高飞行速度和效率，同时也可以降低运营成本。

结论高超声速飞行器在军事、科技和商业方面的应用已经不断发展，对于未来的利益和安全也有着深远的影响。

高超声速飞行器的结构设计和性能优化研究是它们能够获得成功的关键考虑因素之一。

高超声速飞行器气动热环境分析高超声速飞行器的发展是当今航空航天领域的一个重要研究方向。

在其飞行过程中，气动热环境是一个至关重要的因素，对飞行器的结构、材料、性能以及飞行安全都有着深远的影响。

一、高超声速飞行器气动热环境的形成机制当高超声速飞行器在大气层中高速飞行时，空气与飞行器表面之间的强烈相互作用导致了气动热的产生。

这种相互作用主要包括空气的压缩、摩擦和黏性效应。

空气的压缩是气动热产生的一个重要原因。

当飞行器以极高的速度飞行时，前方的空气来不及迅速避开，从而被强烈压缩。

压缩过程使得空气的内能增加，温度急剧上升。

摩擦作用也不可忽视。

飞行器表面与空气之间的相对运动产生了摩擦力，这部分能量转化为热能，导致飞行器表面温度升高。

此外，空气的黏性效应也会引起能量损耗和热量产生。

黏性使得靠近飞行器表面的一层空气流速降低，从而产生热量。

二、高超声速飞行器气动热环境的特点高超声速飞行器所面临的气动热环境具有显著的特点。

首先是温度极高。

在某些情况下，飞行器表面的温度可以达到数千摄氏度，这对材料的耐热性能提出了极高的要求。

其次，热流密度大。

大量的热量在短时间内集中传递到飞行器表面，给热防护系统带来巨大的挑战。

再者，热环境的分布不均匀。

飞行器不同部位的形状、气流速度和压力等因素的差异，导致了热分布的复杂性。

三、高超声速飞行器气动热环境对飞行器的影响这种极端的气动热环境对高超声速飞行器的多个方面产生了严重影响。

在结构方面，高温会导致飞行器结构材料的强度和刚度下降，甚至可能发生变形或破坏。

对于材料而言，需要具备出色的耐高温、抗氧化和抗热冲击性能，否则无法承受这样的恶劣环境。

飞行性能也会受到影响。

气动热会改变飞行器的气动外形，从而影响其升力、阻力和稳定性。

此外，热环境还会对飞行器内部的电子设备、控制系统等造成干扰和损坏，影响其正常工作。

四、高超声速飞行器气动热环境的分析方法为了准确评估和预测高超声速飞行器的气动热环境，研究人员采用了多种分析方法。

第３７卷　第４期 ２０２２年１２月 西　南　科　技　大　学　学　报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２０２２ＤＯＩ：１０．２００３６／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７１ ８７５５．２０２２．０４．００９收稿日期：２０２２－０１－０４；修回日期：２０２２－０３－１７作者简介：第一作者，梁海龙（１９９７—），男，硕士研究生，Ｅ ｍａｉｌ：ｌｉａｎｇｈａｉｌｏｎｇ＠ｍａｉｌｓ．ｓｗｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ；通信作者，唐伟（１９６７—），男，研究员，研究方向为航天飞行器气动布局设计优化，Ｅ ｍａｉｌ：ｔａｎｇｗｅｉ＠ｓｗｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ类ＡＨＷ助推滑翔飞行器提升气动性能的布局探索梁海龙１　朱目成１　唐　伟２（１．西南科技大学制造科学与工程学院　四川绵阳　６２１０１０；２．西南科技大学环境友好能源材料国家重点实验室　四川绵阳　６２１０１０）摘要：探讨了非圆截面弹身布局先进高超声速武器（ＡＨＷ）的气动特性。

以类ＡＨＷ双锥十字小尺寸弹翼布局为研究对象，基于贝塞尔曲线方法建立飞行器外形，利用多目标遗传算法优化分析飞行器弹体布局，在此基础上对飞行器圆截面弹身布局和非圆截面弹身布局进行升阻比及压心分析；考虑总体和防热的需求，对不同截面飞行器控制舵的类型、尺寸匹配和弹体质心位置选择以及操纵面的效率进行对比分析。

研究表明，类ＡＨＷ非圆截面弹身布局可以实现较高的配平升阻比，合理的质心位置和舵面尺寸组合能够实现比圆截面布局更好的操纵需求。

关键词：先进高超声速武器　非圆截面弹体　气动布局　滑翔飞行器中图分类号：Ｖ２１１．３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－８７５５（２０２２）０４－００５６－０７ＡｎＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｔｏｔｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＩｍｐｒｏｖｉｎｇＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＡＨＷＡｎａｌｏｇＢｏｏｓｔＧｌｉｄｉｎｇＶｅｈｉｃｌｅＬＩＡＮＧｈａｉｌｏｎｇ１，ＺＨＵＭｕｃｈｅｎｇ１，ＴＡＮＧＷｅｉ２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ６２１０１０，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｆｒｉｅｎｄｌｙＥｎｅｒｇｙＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ６２１０１０，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｄｖａｎｃｅｄｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｗｅａｐｏｎ（ＡＨＷ）ｗｉｔｈｎｏｎ ｃｉｒｃｕｌａｒｓｅｃｔｉｏｎｂｏｄｙｄｅｓｉｇｎｗａｓｅｘｐｌｏｒｅｄ．ＴｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｂｏｕｔｂｉｃｏｎｉｃｂｏｄｙｗｉｔｈｃｒｕｃｉｆｏｒｍｓｍａｌｌｓｉｚｅｆｌａｐｓｆｏｒＡＨＷａｎａｌｏｇｂｏｏｓｔｇｌｉｄｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄｔｈｅａｉｒｃｒａｆｔｓｈａｐｅｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂａｓｅｄｏｎｂｅｚｉｅｒｃｕｒｖｅｍｅｔｈｏｄ．Ａｍｕｌｔｉ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍｗａｓｕｓｅｄｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆａｉｒｃｒａｆｔｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｌｉｆｔ ｄｒａｇｒａｔｉｏａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｃｅｎｔｅｒｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｌａｒｓｅｃｔｉｏｎａｎｄｎｏｎ ｃｉｒｃｕｌａｒｓｅｃｔｉｏｎｏｆａｉｒｃｒａｆｔｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｏｖｅｒａｌｌａｎｄｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｔｙｐｅｓ，ｓｉｚｅｍａｔｃｈｉｎｇ，ｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆｍａｓｓｏｆｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅａｎｄｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｕｒｆａｃｅｏｆａｉｒｃｒａｆｔｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｈｏｗｓｔｈａｔＡＨＷａｎａｌｏｇｂｏｏｓｔｇｌｉｄｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅｄｅｓｉｇｎｅｄｗｉｔｈｎｏｎ ｃｉｒｃｕｌａｒｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎｍｉｓｓｉｌｅｃａｎａｃｈｉｅｖｅｈｉｇｈｅｒｔｒｉｍｌｉｆｔ ｄｒａｇｒａｔｉｏ，ａｎｄｒｅａｓｏｎａｂｌｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｃｅｎｔｒｏｉｄｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｒｕｄｄｅｒｓｉｚｅｃａｎａｃｈｉｅｖｅｂｅｔｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｔｈａｎｃｉｒｃｕｌａｒｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＨＷ；Ｎｏｎ ｃｉｒｃｕｌａｒｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｂｏｄｙ；Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｄｅｓｉｇｎ；Ｂｏｏｓｔｇｌｉｄｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅ 高超声速滑翔式飞行器因具有突防能力强、快速打击和隐蔽性强等特点，备受世界各航天大国关注。

高超声速飞行器测控系统热设计研究高超声速飞行器测控系统热设计研究摘要：高超声速飞行器是现代航空领域的热点研究方向之一，其具有超过马赫数5的高速飞行性能，对测控系统的热设计提出了更高的要求。

本研究通过理论分析和数值模拟的方法，探讨了高超声速飞行器测控系统的热设计，并对其进行了优化，以提高飞行器的热性能和安全性。

研究结果表明，在高超声速条件下，合理的热设计可以有效提升测控系统的工作效率和可靠性。

关键词：高超声速飞行器；测控系统；热设计；马赫数1. 引言高超声速飞行器是一种能够在大气层内飞行时超过马赫数5的飞行器。

近年来，高超声速飞行器的研究得到了广泛关注，由于其具有较高的飞行速度和较短的飞行时间，具有重要的军事和民用应用价值。

然而，高超声速飞行器的高温环境和剧烈空气动力学负荷给测控系统的热设计提出了更高的要求。

2. 热设计分析在高超声速飞行器飞行过程中，由于飞行速度较高，且会受到空气动力学负荷的影响，致使飞行器表面温度高达数千摄氏度。

因此，测控系统必须在这样一个高温环境下正常工作，并确保其可靠性和稳定性。

2.1 热量传导分析高超声速飞行器的热问题主要源于高温辐射和高温热流的传递。

高温辐射主要通过飞行器表面和周围环境之间的辐射传热来散发热量。

高温热流则是由于空气动力学负荷和机体表面摩擦产生的。

研究表明，高超声速飞行器的表面温度可以达到2000摄氏度以上，这对测控系统的热稳定性提出了更高的要求。

2.2 热量传导调控为了保证测控系统在高超声速飞行器中的正常工作，进一步优化其热设计是必要的。

目前，常见的热量传导调控方法包括热防护涂层的应用、热辐射降温、热管散热等。

这些方法可以有效提高测控系统的抗热能力和降低表面温度，减轻对测控系统的热冲击。

3. 数值模拟与优化设计为了验证热设计的有效性，本研究采用数值模拟方法对高超声速飞行器的测控系统进行了热仿真分析，并进行了优化设计。

3.1 数值模拟模型建立研究建立了高超声速飞行器测控系统热仿真模型，包括飞行器的气动外形、测控系统的内部结构和热传导材料等。