【摘要】：氣動(dòng)熱環(huán)境預(yù)測(cè)是復(fù)雜外形高超聲速飛行器工程計(jì)算中的關(guān)鍵問題,使用高效的氣動(dòng)熱工程近似計(jì)算方法是飛行器早期設(shè)計(jì)階段熱預(yù)測(cè)的首選方案。然而,傳統(tǒng)的工程方法對(duì)外形的適應(yīng)性低,需要人工進(jìn)行區(qū)域劃分和近似,不同外形的程序無法直接復(fù)用,開發(fā)投入高回報(bào)低。本文建立的氣動(dòng)熱環(huán)境在線可視化計(jì)算平臺(tái)是對(duì)氣動(dòng)熱方法的擴(kuò)展,對(duì)外形的適應(yīng)性強(qiáng),通用自動(dòng)化程度高,提高了外形設(shè)計(jì)工作的效率。本文研究基于流線追蹤方法,在利用流場(chǎng)的附著線特征結(jié)合駐點(diǎn)熱流方法進(jìn)行計(jì)算氣動(dòng)熱的基礎(chǔ)上,改進(jìn)了流線圖譜的計(jì)算方法,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)提取附著線特征。算法應(yīng)用于多個(gè)外形,對(duì)有效性和適用性進(jìn)行了分析。算例表明,改進(jìn)后的飛行器表面熱流分布合理,且該氣動(dòng)熱方法具有適中的精度,能滿足復(fù)雜外形飛行器早期設(shè)計(jì)的需要。本文建立的氣動(dòng)熱環(huán)境快速計(jì)算平臺(tái)是對(duì)工程算法的實(shí)際應(yīng)用,具有通用、快捷、可靠的特點(diǎn)。論文首先從技術(shù)選型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織、算法實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)以及系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)幾個(gè)方面介紹平臺(tái)的研發(fā)。然后對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了功能測(cè)試和性能測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明平臺(tái)界面友好、運(yùn)算穩(wěn)定、效率出色,使用多線程并發(fā)技術(shù)提升了系統(tǒng)的性能�；诹鲌�(chǎng)拓?fù)涞臍鈩?dòng)熱環(huán)境預(yù)測(cè)平臺(tái)經(jīng)過算例分析和系統(tǒng)測(cè)試表明,使用幾何工程流場(chǎng)對(duì)類似鈍雙錐的簡單外形能達(dá)到較高的精度,總耗時(shí)為秒級(jí)別;使用數(shù)值無粘流場(chǎng)對(duì)類似航天飛機(jī)的復(fù)雜外形有較高的精度,總耗時(shí)主要由計(jì)算數(shù)值無粘流場(chǎng)耗時(shí)決定,耗時(shí)為分鐘級(jí)別。使用幾何工程流場(chǎng)時(shí),通過復(fù)用耗時(shí)占比高的預(yù)處理和流線圖譜數(shù)據(jù),能夠減少90%的耗時(shí),極大提升計(jì)算效率。
【圖文】：

空航天領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。高超聲速技術(shù)廣泛應(yīng)用于高超巡航導(dǎo)彈、空天飛機(jī)、航天運(yùn)載器等復(fù)雜外形，對(duì)國家的綜合國力、安全以及科技進(jìn)步發(fā)展具有重大的意義。近年來，世界各國競相發(fā)展高超聲速飛行器，主要包括戰(zhàn)略打擊武器和太空運(yùn)載器。美國空軍在 2013 年啟動(dòng)“高速打擊武器”（HSSW）項(xiàng)目，，目的是在已有的 X-51A、HTV-2 項(xiàng)目上進(jìn)一步提高高超聲速巡航導(dǎo)彈和高超聲速助推技術(shù)[1]。同年 9 月，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局首次公布 XS-1 實(shí)驗(yàn)性空天飛機(jī)項(xiàng)目，如圖 1-1 所示，目的是發(fā)展低成本高效率的高超聲速運(yùn)載飛行器，目標(biāo)是在 10 天內(nèi)成功往返 10 次，并在 2018 年完成了熱試車點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)[2]。俄羅斯在 2017 年上半年完成 3M22 鋯石高超聲速反艦導(dǎo)彈試射，如圖 1-2 所示，試射中速度達(dá)到了 Ma8，導(dǎo)彈的目標(biāo)飛行速度達(dá) Ma9，射程達(dá)1000km，在 2018 年底完成最近一次實(shí)驗(yàn)，速度再次達(dá)到 Ma8[3]。俄羅斯在 2017 年 1月首次披露 GZUR 高超聲速制導(dǎo)導(dǎo)彈項(xiàng)目，飛行速度可達(dá) Ma6，射程可達(dá) 1500km。法國在 2019 年 1 月宣布，將在 2021 進(jìn)行 V-max 實(shí)驗(yàn)性機(jī)動(dòng)飛行器飛行試驗(yàn)。日本在2019 財(cái)年預(yù)算中進(jìn)一步加大高超聲速助推滑翔導(dǎo)彈技術(shù)的經(jīng)費(fèi)支持，計(jì)劃在 2026 年與 2028 年完成圓錐體和扁平體兩代導(dǎo)彈的研發(fā)，射程達(dá) 300-500km[2]1。2018 年 8 月中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院完成國內(nèi)首個(gè)乘波體“星空-2”的飛行實(shí)驗(yàn)，飛行速度達(dá)Ma6，飛行高度為 30km。

空航天領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。高超聲速技術(shù)廣泛應(yīng)用于高超巡航導(dǎo)彈、空天飛機(jī)、航天運(yùn)載器等復(fù)雜外形，對(duì)國家的綜合國力、安全以及科技進(jìn)步發(fā)展具有重大的意義。近年來，世界各國競相發(fā)展高超聲速飛行器，主要包括戰(zhàn)略打擊武器和太空運(yùn)載器。美國空軍在 2013 年啟動(dòng)“高速打擊武器”（HSSW）項(xiàng)目，目的是在已有的 X-51A、HTV-2 項(xiàng)目上進(jìn)一步提高高超聲速巡航導(dǎo)彈和高超聲速助推技術(shù)[1]。同年 9 月，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局首次公布 XS-1 實(shí)驗(yàn)性空天飛機(jī)項(xiàng)目，如圖 1-1 所示，目的是發(fā)展低成本高效率的高超聲速運(yùn)載飛行器，目標(biāo)是在 10 天內(nèi)成功往返 10 次，并在 2018 年完成了熱試車點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)[2]。俄羅斯在 2017 年上半年完成 3M22 鋯石高超聲速反艦導(dǎo)彈試射，如圖 1-2 所示，試射中速度達(dá)到了 Ma8，導(dǎo)彈的目標(biāo)飛行速度達(dá) Ma9，射程達(dá)1000km，在 2018 年底完成最近一次實(shí)驗(yàn)，速度再次達(dá)到 Ma8[3]。俄羅斯在 2017 年 1月首次披露 GZUR 高超聲速制導(dǎo)導(dǎo)彈項(xiàng)目，飛行速度可達(dá) Ma6，射程可達(dá) 1500km。法國在 2019 年 1 月宣布，將在 2021 進(jìn)行 V-max 實(shí)驗(yàn)性機(jī)動(dòng)飛行器飛行試驗(yàn)。日本在2019 財(cái)年預(yù)算中進(jìn)一步加大高超聲速助推滑翔導(dǎo)彈技術(shù)的經(jīng)費(fèi)支持，計(jì)劃在 2026 年與 2028 年完成圓錐體和扁平體兩代導(dǎo)彈的研發(fā)，射程達(dá) 300-500km[2]1。2018 年 8 月中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院完成國內(nèi)首個(gè)乘波體“星空-2”的飛行實(shí)驗(yàn)，飛行速度達(dá)Ma6，飛行高度為 30km。
【學(xué)位授予單位】：西南科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP311.52;V211;V411

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