航天飞行器壁板结构气动热/气动弹性耦合分析方法研究

Because of aerodynamic heating, surface panels of hypersonic vehicles are subjected to rigorous high-temperature environment. Large thermal deflections of the surface panels may occur. This would affect its aerodynamic characteristics, even though flutter boundary and flutter characteristics, leading to poor flight performance and flight safety. Aiming at the feature of extremely aerothermal/aeroelastic strong couple environment for hypersonic panel, studies on the effect of aerothermal loading on flutter characteristics, nonlinear flutter analytical method and ground flutter simulation test method for hypersonic panel under thermal environment are developed. Mechanism of panel flutter under the effects of alteration of material thermal-physical parameters in conjunction with thermal stress is discovered. Moreover, aerothermal-aeroelastic two-way coupling nonlinear flutter analytical method for hypersonic panel is established. Research capability is promoted dramatically in this area. Technical support is provided for design of aero elasticity of hypersonic vehicles structure under thermal environment.

由于气动加热作用，高超声速飞行器壁板结构经历严酷的高温环境，使其产生很大的热挠度。这将影响其气动特性，甚至改变其颤振边界和颤振特性，极大地影响飞行器的性能甚至飞行安全。本项目针对高超声速飞行器壁板面临的严酷气动热/气动弹性强耦合环境载荷特点，开展气动热对壁板结构颤振特性影响规律、热环境下壁板结构非线性颤振分析方法研究，并通过地面颤振模拟试验进行验证，揭示材料热物性参数改变和热应力共同作用下壁板结构颤振机理，突破气动热/气动弹性双向耦合的壁板非线性颤振分析方法，提升我国在这一领域的研究水平，为热环境下高超声速飞行器结构气动弹性设计提供技术支撑。

由于气动加热作用，高超声速飞行器壁板结构经历严酷的高温环境，使其产生很大的热挠度。这将影响其气动特性，甚至改变其颤振边界和颤振特性，极大地影响飞行器的性能甚至飞行安全，亟需开展航天飞行器壁板结构气动热/气动弹性耦合分析方法研究。.在研究过程中，考虑材料热物性参数和热应力对结构热模态的影响，建立了热环境下典型壁板结构的热分析模型和动力学分析模型，分析了两者对壁板结构气动弹性的影响规律，通过开展热模态试验，验证了分析方法的正确性，揭示了气动热对壁板结构气动弹性的影响机理。.考虑结构和气动力非线性，建立了基于高阶当地流活塞理论的壁板结构气动热/气动弹性耦合分析方法，基于PCL和DMAP语言自主研发了非线性热气动弹性响应分析软件，实现了壁板结构复杂非线性热气动弹性响应的有效预示。.建立了非定常气动力快速计算及集成减缩方法，完成了激振系统动力学建模及模型参数的试验识别，建立了热环境下激振/测量点一体化优化方法及加载系统的实时控制方法，分别开展了空载状态下加速度和负载状态下多输入多输出动态力的实时控制试验，验证了方法的有效性。完成了热环境下典型结构地面颤振模拟试验系统搭建及试验分析验证，获得了热环境下壁板结构非线性响应规律。.研究成果已应用于航天飞行器壁板结构的热模态、非线性热气动弹性响应分析及地面颤振模拟试验，可为热环境下高超声速飞行器结构气动弹性设计和试验考核提供理论支撑和技术指导。