航天飞行器非定常气动环境的数值研究

The complicated unsteady aerodynamic environments which include generation and shedding of vortices, flow separation and reattachment, shock movement and shock-boundary layer interaction are encountered at aerospace vehicles flight procedure. These unsteady flows induce the impulsive aerodynamic loads and produce adverse influence to structure and control system of vehicles. The strong viscous flow and flow separation are the reason of the unsteady environments appearance and their development produce more complicated unsteady flow. So the prediction of the unsteady environments of the aerospace vehicles should simulate separated flow accurately. The background of this study is the precious prediction of unsteady environments at aerospace vehicles fight. The high precious numerical method for unsteady flow will be developed in this study; the computational accuracy of fluctuating pressure will be improved. The stand wind load, transonic buffet, component interaction of aerospace vehicles will be studied and the unsteady aerodynamic numerical computation platform will be established. The technologies and tools which are developed will promote the study of unsteady aerodynamic loads of aerospace vehicles.

航天飞行器在任务各个阶段面临复杂的非定常气动环境，包括旋涡的生成与脱落、流动的分离与再附、激波的运动与干扰、激波-边界层干扰等，这些非定常气动环境使得飞行器产生脉动的气动载荷，给飞行器的结构、控制系统带来不利的影响，严重的甚至影响任务的安全和成败。总体来讲，航天飞行器的非定常环境是粘性流动作用的结果，并且都与流动分离有关：物形变化导致的分离或者激波-边界层干扰诱发的分离，分离流动的进一步发展形成更复杂的非定常流动。因此航天飞行器非定常气动环境的预测本质上是对强粘性作用下分离流动的精确模拟，进而提取有用的气动载荷。本项目以航天飞行器面临的非定常气动环境问题为背景，完善高精度非定常数值模拟方法，提高大分离流动环境下脉动压力的模拟精度，开展航天飞行器竖立风载、跨声速抖振、部件流动干扰的数值模拟研究，建立非定常气动环境数值分析与评估平台，为航天飞行器非定常气动载荷的分析提供技术支撑。

针对火箭类航天运载飞行器对非定常载荷高精度预测的需求，项目建立了航天飞行器非定常气动环境数值分析与评估平台。平台采用基于DES 类型的RANS-LES 混合方法模拟非定常大分离流动，发展了两种适用于全速域的低耗散数值格式，建立了基于流动特征的非结构网格自适应技术。对典型分离流动的模拟表明，本项目建立的非定常气动环境数值分析与评估平台可充分提高大分离流动中激波、旋涡、剪切层等复杂流动特征的分辨精度，进而提高非定常气动特性的预测能力。. 项目利用建立的平台对火箭类航天飞行器遇到的典型非定常气动环境开展了数值模拟研究与分析，主要包括：带助推级火箭外形的竖立风载研究；锥-柱外形跨声速流动的抖振问题研究；突起物超声速流动的脉动压力计算分析。研究结果显示：. 1、带助推级火箭外形由于助推级和芯级流场之间的干扰，位于主流尾迹区的助推级和火箭芯级上存在较强压力脉动。脉动频率低且声压级强度弱，但幅值很大，风向角45°时最大达到平均压力系数绝对值的200%，这种强脉动幅值影响火箭在竖起状态下的支撑安全和箭体稳定。. 2、火箭锥-柱外形在跨声速流动下存在交替流现象是火箭在跨声速流动下形成抖振的根本原因。即在同一马赫数下，流动形态在亚声速分离流和超声速附着流之间转变，这使得飞行器的表面压力发生变化，带来明显的非定常载荷。由于激波和分离流动之间相互作用，柱段激波后部表面有较大脉动，峰值频率约为20Hz，声压级强度接近140分贝。. 3、超声速来流下，前方边界层和突起物脱体激波的相互干扰是火箭表面突起物非定常载荷产生的主要原因，脉动声压级达到145分贝，频率约为1550Hz。高频的强脉动对结构强度会造成较为严重的影响。突起物后方分离流动造成的压力脉动相比于前方强度要略弱，最强脉动出现在流动再附位置。. 本项目的研究成果可用于各类航天飞行器在任务全阶段所面临的非定常气动环境的预测和评估，在当前我国各类航天新型飞行器层出不穷的背景下，具有较好的应用前景。