高超声速飞行器气动外形设计2

高超飞行器气动设计原理第二章高超飞行器典型气动外形设计第二章高超飞行器典型气动外形设计第二章高超飞行器典型气动外形设计2.1 气动设计概念2.2 再入方案和方式2.3 轴对称旋成体2.4 翼身融合体2.5 升力体2.6 乘波体第二章高超飞行器典型气动外形设计什么是气动设计？根据飞行器要达到的飞行性能，寻找满足这些性能的构型，称为气动设计。

气动设计是与气动相关的反问题什么是气动设计？根据飞行器要达到的飞行性能，寻找满足这些性能的构型，称为气动设计。

气动设计是与气动相关的反问题什么是气动设计？根据飞行器要达到的飞行性能，寻找满足这些性能的构型，称为气动设计。

气动设计是与气动相关的反问题什么是气动设计？根据飞行器要达到的飞行性能，寻找满足这些性能的构型，称为气动设计。

第二章高超飞行器典型气动外形设计气动计算为气动的正问题，即根据已经给定的构型，计算其气动力。

设计气动计算气动设计什么是气动设计？根据飞行器要达到的飞行性能，寻找满足这些性能的构型，称为气动设计。

第二章高超飞行器典型气动外形设计根据任务需求,选取合适的技术参量(设计变量),并设计飞行器的外形和布局,并通过气动计算/分析,对飞行器相关的气动性能指标进行评估,据此对气动方案进行修正,通过往复迭代,最终获得满足任务要求的最佳方案。

设计气动计算气动设计什么是气动设计？根据飞行器要达到的飞行性能，寻找满足这些性能的构型，称为气动设计。

第二章高超飞行器典型气动外形设计根据任务需求,选取合适的技术参量(设计变量),并设计飞行器的外形和布局,并通过气动计算/分析,对飞行器相关的气动性能指标进行评估,据此对气动方案进行修正,通过往复迭代,最终获得满足任务要求的最佳方案。

气动设计设置设计变量设计外形和布局气动计算/分析气动性能评估方案修正要求最佳方案2.2 再入方案和方式第二章高超飞行器典型气动外形设计再入方案：再入方案：空气制动再入方案：●空气制动●空气动力捕获再入方案：●空气制动●空气动力捕获●反推力制动Source: website第二章高超飞行器典型气动外形设计再入方式：根据航天器再入段的不同气动力特性分类0,0.1在空气中运动只产生阻力，不产生升力，或只产生有限的很小的升力。

航天器一旦脱离原运行轨道，无法控制返回地面。

根据航天器再入段的不同气动力特性分类0,0.1/ ⊂0.1,0.5在空气中运动只产生阻力，不产生升力，或只产生有限的很小的升力。

航天器一旦脱离原运行轨道，无法控制返回地面。

在弹道式的基础上，通过质心配平，使航天器进入大气层产生一定的升力。

该升力不足以使航天器进入轨道的着陆段平缓到使飞行器水平着陆。

根据航天器再入段的不同气动力特性分类0,0.1/ ⊂0.1,0.50.5在空气中运动只产生阻力，不产生升力，或只产生有限的很小的升力。

航天器一旦脱离原运行轨道，无法控制返回地面。

在弹道式的基础上，通过质心配平，使航天器进入大气层产生一定的升力。

该升力不足以使航天器进入轨道的着陆段平缓到使飞行器水平着陆。

通过改变气动外形（有明显的升力作用面）使航天器再入大气时产生较大的升力。

该升力使航天器着陆段平缓，可以满足飞行器水平着陆的要求。

弹道式再入优点：●外形简单，多为钝头的轴对称旋成体外形●气动力加热总加热量相对小，防热结构简单●技术上易于实现●成本低，无需控制弹道式再入缺点：●回收区域大●热流密度峰值大●过载峰值很大Source: website东方号Vistok上升号Voskhod弹道-升力式再入优点：●结构简单，易于防热处理●增大再入走廊宽度，改善再入状况●减小最大过载值,降低热流密度峰值●减小航天器的落点散布(轨道可调)弹道-升力式再入缺点：●再入时间长●总加热量大联盟号SoyuzSource: website双子星座号Gemini升力式再入优点：●增大机动飞行能力●实现水平着陆（冲击和过载小）●减小航天器的落点散布（定点着陆）●可重复使用升力式再入缺点：●总加热热量大，加热时间长●构形复杂●控制问题、气动问题、防热问题和结构问题复杂桑格尔Saenger (Source : website )高超声速典型气动外形再入方式分析●弹道式：轨道探测器、返回舱、无翼导弹●弹道-升力式：返回舱、有翼导弹●升力式：翼身融合体、升力体、乘波体第二章高超飞行器典型气动外形设计高超声速典型气动外形设计主要要求•满足有效载荷对舱内容积的要求•考虑有效载荷与运载工具以及其他服务舱段/部件对接尺寸匹配的问题•保证再入时舱内仪器设备和人员所承受的轴向和横向过载在允许范围内•最大限度减少气动加热，使表面热流密度合理分布•热防护系统质量最小•具有良好的静稳定性和动稳定性•良好的气动特性•再入时迎风面避免出现尖点、凹凸台和突起物•部件设计时要易于加工、拆卸、安装和维护第二章高超飞行器典型气动外形设计2.3 轴对称旋成体第二章高超飞行器典型气动外形设计进入器气动性能的影响因素：飞行任务、进入大气方案、进入弹道性能和控制方式、有效载荷承载能力、进入器着陆精度要求、防热材料性能和工艺、舱体结构形式等。

进入器气动性能主要设计指标：●升阻比●平均阻力系数●头部最大直径和长细比●最大需用容积●表面最大热流密度●最大总加热量●等等第二章高超飞行器典型气动外形设计进入器气动布局设计要求：•最小的结构和热防护系统质量•给定升阻比下，保证纵向和横向的静稳定性•在大的迎角范围内和宽速域内都可以稳定飞行•阻力系数足够大，有利于着陆第二章高超飞行器典型气动外形设计2.3 轴对称旋成体---弹道升力式返回舱进入器外形示例（六种飞船构型）东方号上升号联盟号双子星号水星号阿波罗号Source: 黄志澄进入器气动外形设计要求：●满足有效载荷装载的要求●满足与其他舱段的对接尺寸匹配●在给定进入的初始条件下，过载在允许的范围之内●气动外形可以最大限度的减小飞行器气动加热，并保证热防护系统总质量最小。

●具有良好的静态和动态稳定性●气动外形的升阻力特性、操稳特性和热流易于准确计算或者易于试验模拟●外形迎风面尽量避免出现奇点●需要考虑机加工，便于安装和维护使用第二章高超飞行器典型气动外形设计气动外形设计步骤：①根据飞行任务特点和进入器进入方式，以及其他总体设计要求，确定进入器的气动力设计指标；②根据设计指标，综合各方面因素，在理论分析和地面试验的基础上设计进入器的气动外形；③利用理论分析、计算、模拟试验预测进入器气动外形在各种状态下的气动力数据，对方案进行修正;④进行飞行试验，根据进入器内各种传感器的测量数据评估其气动性能，并对气动外形进行验证和评估。

第二章高超飞行器典型气动外形设计水星号Mercury阿波罗号Appollo双子星座号Gemini（美：载人飞船）---大钝头倒锥体发现者（美：返回式卫星）---球锥组合体Source : WebsiteSource : Website 东方号、上升号（苏：载人飞船）---圆球体东方号Vistok上升号Voskhod联盟号Soyuz联盟号（苏：载人飞船）---球冠倒锥第二章高超飞行器典型气动外形设计Ⅰ 弹道式探测器/返回舱外形优点缺点球状外形•等容积下表面积最小•阻力系数随Ma , Re 和大气成分的变化不大，且不易受飞行姿态影响•为典型几何形体，已有很多可靠数据来借鉴•在Ma 介于0.4至15之间时，是动不稳定的圆球阻尼系数随马赫数的变化Source：《航天器进入与返回技术》解释“动不稳定”原理Source: Website东方号外形Source: Website第二章高超飞行器典型气动外形设计Ⅰ 弹道式探测器/返回舱外形优点缺点球状外形•等容积下表面积最小•阻力系数随Ma , Re 和大气成分的变化不大，且不易受飞行姿态影响•为典型几何形体，已有很多可靠数据来借鉴•在Ma 介于0.4至15之间时，是动不稳定的球锥外形•当迎角小于30度时，可以避免分离点变化引起的不稳定性•较好的静/动稳态裕度•力热分析方法完善•阻力特性依赖于迎角•底部形状处理不当会产生倒向稳定或动不稳定现象Source: Website第二章高超飞行器典型气动外形设计Ⅰ 弹道式探测器/返回舱外形优点缺点球状外形•等容积下表面积最小•阻力系数随Ma , Re 和大气成分的变化不大，且不易受飞行姿态影响•为典型几何形体，已有很多可靠数据来借鉴•在Ma 介于0.4至15之间时，是动不稳定的球锥外形•当迎角小于30度时，可以避免分离点变化引起的不稳定性•较好的静/动稳态裕度•力热分析方法完善•阻力特性依赖于迎角•底部形状处理不当会产生倒向稳定或动不稳定现象大钝头倒锥•阻力系数很大（2以上），具有一定升阻比•合适的倒锥半锥角大大降低锥面热流密度•气动力特性分析和倒锥表面热流计算困难Ⅱ 弹道-升力式返回舱（小升阻比）Source : 高超声速飞行器空气动力学原理，黄志澄如何产生小的升阻比呢？配置质心方法：即将构型质心偏离中心轴线一定小量引起升力（控制力）。

Ⅱ 弹道-升力式返回舱球冠倒锥形优点：●升阻比可达到0.5左右●便于安排航天员和内部设备●重心位置靠近头部●结构尺寸和重量较小●降落安全性高●配平需中心横偏量小球冠倒锥外形Source : 高超声速飞行器空气动力学原理，黄志澄球冠倒锥的外形参数●最大横截面直径： ●球冠钝度：⁄●大头拐角相对曲率半径：⁄●倒锥角： ●球冠角：●长细比：λ⁄球冠倒锥外形参数对气动特性的影响①球冠钝度●当 增加时，升阻比增加●当 1.5 升阻比增加平缓●压力中心系数随 的增加而增大，如果重心位置不变，静稳定性增加球冠倒锥升阻比随球冠钝度的变化规律（黄志澄）球冠倒锥外形参数对气动特性的影响①球冠钝度●当 增加时，升阻比增加●当 1.5 升阻比增加平缓●压力中心系数随 的增加而增大，如果重心位置不变，静稳定性增加●拐角最大热流随 的增大而增大球冠倒锥热流密度随球冠钝度的变化规律（黄志澄）第二章高超飞行器典型气动外形设计球冠倒锥外形参数对气动特性的影响①球冠钝度第二章高超飞行器典型气动外形设计●当增加时，升阻比增加●当1.5 升阻比增加平缓●压力中心系数随的增加而增大，如果重心位置不变，静稳定性增加●拐角最大热流随 的增大而增大●驻点热流随的增大而减小结论：的范围应选择适中，对应球冠角 50°~65°，可取为 0.8~1.2。

球冠倒锥升阻比随大头拐角相对曲率半径的变化规律（黄志澄）球冠倒锥压力中心随大头拐角相对曲率半径的变化规律（黄志澄）球冠倒锥热流密度随球冠钝度的变化规律（黄志澄）球冠倒锥外形参数对气动特性的影响③倒锥角●最大升阻比和对应的迎角随倒锥角 增大而增大●最小压心系数随 的增大而减小●当 15°，压心小于重心，会导致倒向稳定问题球冠倒锥最大升阻比、对应迎角和重心、压心随倒锥角的变化规律（黄志澄）示例：联盟号、双子星号、阿波罗号外形参数Source: 黄志澄。