[发明专利]一种非稳态情况下飞行器空气舵缝隙的气动热评估方法

说明书

一种非稳态情况下飞行器空气舵缝隙的气动热评估方法，包括步骤如下：一、通过数值求解飞行器流场的N－S方程，获得飞行器外壁表面热流；二、对舵缝隙内是否存在非定常效应进行判断并相应处理；三、获得若干周期内舵缝隙区域特征点处定常方法的平均热流；四、获得若干周期内特征点处非定常方法的平均热流并和定常方法结果比较，根据情况相应处理；五、获得舵缝隙区域干扰因子，利用曲线拟合方法获得干扰因子随舵偏变化的分段解析函数曲线；六、将干扰因子的分段函数曲线嵌入到气动热工程计算程序，获得飞行器在设定弹道时间段的舵缝隙区域热环境结果。本发明在保证空气舵缝隙气动热评估结果可靠性的同时能够有效减小评估结果的冗余度。

技术领域

本发明涉及一种气动热评估方法。

背景技术

良好的控制特性和机动性对飞行器性能十分重要，而空气舵是高超声速飞行器进行姿态控制和维持稳定的重要部件，使得高超声速飞行器离不开空气舵的设计以及在飞行过程中空气舵的频繁摆动。由于结构特点及功能要求，使得空气舵和飞行器舱体之间不可避免地会存在缝隙，如图1所示，空气舵缝隙区域一般包括空气舵缝隙中与来流空气接触部分和空气舵附近受空气舵缝隙流动影响显著的区域。空气舵缝隙往往是飞行器流动规律最复杂、气动加热最严酷的区域之一。

在空气舵缝隙流动复杂性的众多表现中，非稳态是其特性之一。一方面，空气舵缝隙内往往会存在不稳定的分离涡流动结构，这种流动结构可能形成非定常流动，而使得空气舵缝隙内流动处于不稳定状态；另一方面，出于飞行控制或姿态维持的需要，空气舵需要频繁摆动而使得空气舵处于一种非稳态状态中，这两种情况下的空气舵缝隙气动热评估统称为非稳态情况下的空气舵缝隙气动热评估。

通常情况下，高超声速飞行器空气舵区域的气动热环境评估基本方式是采用气动热数值计算和地面试验相结合的方法进行，其中尤以数值计算能够评估真实状态下的气动热环境而被更广泛地采用。从现有技术来看，定舵偏情况下的定常气动热模拟已相当普遍并在工程上广泛采用，常用的手段是基于定常假设数值求解Navier-Stokes(N-S)方程而获得空气舵区域的热流，但对计算过程中可能出现的非定常流动现象则关注不足。若按传统方法，如果空气舵缝隙内出现分离涡流动结构，涡的蹿动导致空气舵舵缝隙内干扰区模拟的热流忽高忽低时，则根据数值模拟结果去取值则可能会取到极高值或极低值，得到的结果具有很大的不确定性，难以保证可靠；而如若采用非定常方法计算，则因其对计算资源的需求巨大而难以在工程上广泛使用。

对于空气舵频繁摆动的情况，因气动热评估时数值模拟工作量巨大而通常采用极限舵偏包络的方法进行弹道设计，极限舵偏情况下的热环境往往非常严酷，给防隔热方案设计带来极大困难，经常因为空气舵缝隙区域气动热评估结果过于严酷而使得方案难以闭合，也使得飞行器在研制过程中过多地受制于飞行器的姿控设计方案和空气舵缝隙区域的防隔热设计方案。

综上，对于高超声速飞行器空气舵缝隙区域的气动热评估，是影响飞行器姿控系统设计和局部防隔热设计方案的重点问题，也是当前设计水平下的普遍难点，如何准确、快速地评估空气舵缝隙区域的热环境，使之能够为飞行器方案的设计提供准确的输入，满足飞行试验的要求，十分迫切。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对空气舵缝隙内产生的非定常流动现象和空气舵工作时频繁摆动这两类非稳态问题而导致空气舵缝隙区域气动热评估难以把握并且计算量巨大的问题，本发明提出了一种非稳态情况下空气舵缝隙干扰区的气动热环境设计方法，能够有效地考虑空气舵缝隙内存在非定常流动时的气动热变化特征，建立空气舵频繁摆动情况下的空气舵缝隙气动热评估方法，在可接受的计算资源耗费情况下，保证评估可靠性的同时有效减小评估的冗余度。

本发明所采用的技术方案是：一种非稳态情况下飞行器空气舵缝隙的气动热评估方法，包括如下步骤：

步骤一、利用有限体积法或有限差分法数值求解飞行器流场的N－S方程，获得飞行器外壁表面热流，并获取残差收敛曲线；