Focus Havacılık ve Uzay Aracı Aerodinamik Teknolojisi Araştırması
Özet: Aerodinamik teknoloji araştırması, uzay araçlarının uçuş ortamını anlamak ve diğer önemli teknolojileri geliştirmek için büyük bir itici güç sağlar. Bu makale, havacılık ve uzay aracının görev ortamı ve şekil özelliklerine dayanarak, havacılık ve uzay aracı araştırmalarında yer alan yüksek sıcaklık / incelik ve diğer karmaşık akış mekanizmalarını, karmaşık birleştirilmiş bir ortamda aerodinamik özelliklerin tahminini ve doğrulanmasını ve geniş bir hava sahasının aerodinamik yerleşim tasarımını, geniş hız aralığını ve yüksek kaldırma-sürükleme oranını analiz eder. Aerodinamikteki üç ana konu ve yukarıdaki problemleri çözmek için gerekli olan anahtar teknolojileri tartışmak, havacılık araçlarının sonraki araştırmaları için belirli bir rehberlik ve referans sağlar.
Anahtar kelimeler: Uzay aracı; aerodinamik problem; anahtar teknoloji
Havacılık mekik uçağı (bundan böyle havacılık uçağı olarak anılacaktır), hava soluyan havacılık motorlarını kullanan, yatay olarak kalkış ve iniş yapabilen ve yoğun atmosferde, bitişik uzayda ve alçak Dünya yörüngesinde serbestçe hareket edebilen yeni nesil yeniden kullanılabilir uzay mekiği uçağı anlamına gelir. Yeni nesil uzay ulaşım sisteminin geliştirme yönleri ucuz, güvenilir, hızlı ve kullanışlı olup, bunlar arasında hava soluyan kombine tahrik sistemleriyle çalışan tek aşamalı ve iki aşamalı yörüngeli havacılık araçları en ideal çözümlerdir.
Havacılık ve uzay araçlarının araştırılması, geleneksel uçak ve uzay aracının sınırlamalarını ortadan kaldıracaktır.Araştırma ve geliştirme, güç, yapı, malzemeler, aerodinamik ve kontrol gibi bir dizi anahtar teknolojinin son derece entegre entegrasyonunun sonucudur. İnsan algısının hala düşük olduğu, uzay araçlarının çeşitli teknolojilerinin görev ortamına yüksek oranda bağımlı olduğu göz önüne alındığında, uzay araçlarının geliştirilebilmesi için uzay araçlarının karşılaştığı aerodinamik kuvvetlerin tanınması ve çözülmesi gerekmektedir. Öğrenme sorunları.
Bu makale, havacılık ve uzay aracının görev ortamına ve görünüm özelliklerine dayalı olarak, havacılık ve uzay aracıyla ilgili temel aerodinamik sorunları analiz eder ve yukarıdaki sorunları çözmek için gereken temel teknik araştırma çalışmalarını kısaca tartışır.İzleyen bir havacılık aracı ve geniş bir hava / hız aralığı aracıdır. Araştırma rehberlik ve referans sağlar.
1 \ Yabancı uçak programının araştırma durumunun analizi
Yabancı ülkeler 1950'lerden beri havacılık araçları üzerine araştırmalar yürütmekte ve bir dizi temsili havacılık aracı konseptleri ortaya koymaktadır.
Şekil 1 NASP tek aşamalı yörünge havacılık aracı X-30
Şekil 2 HOTOL tek aşamalı uzay aracı yörüngeye giriyor
Şekil 3 SKYLON tek aşamalı yörünge havacılık aracı
Şekil 4 Sänger iki aşamalı uzay aracı yörüngeye giriyor
Şekil 5 Brezilya 14-X iki aşamalı uzay aracı yörüngeye giriyor
Şekil 6 JAXA iki aşamalı uzay aracı yörüngeye giriyor
2. Uzay araçlarının aerodinamik sorunları
Havacılık ve uzay araçları genellikle aynı konfigürasyonda atmosferde ve uzayda ücretsiz mekik uçuşu sağlamaya ihtiyaç duyar; yeni bir havacılık gücü biçimi ile yatay kalkış ve iniş elde etmek ve yoğun atmosferde, bitişik alanın ince atmosferinde ve uzayda tam hava sahasında tam çalışma. Bu nedenle, havacılık araçlarının geliştirilmesi, hava soluyan havacılık motor teknolojisi, yapı / malzeme ve termal koruma teknolojisi, genel tasarım teknolojisi ve aerodinamik teknoloji gibi bir dizi anahtar teknolojiyi içerir. Havacılık ve uzay araçlarının görev özellikleriyle birleştiğinde, ilgili temel aerodinamik teknolojiler ve sorunlar esas olarak aşağıdaki yönlerde ortaya çıkar.
2.1 Yüksek sıcaklık / incelik gibi karmaşık akış mekanizması sorunları
Görevleri tamamlama sürecinde, havacılık ve uzay araçlarının, karmaşık ve hızla değişen bir çevre akış ortamıyla karşı karşıya kalan geniş bir uçuş hızı aralığını (0-180Km +, 0-Ma25 +) geçmesi gerekir:
Uçuş yüksekliği arttıkça, moleküler ortalama serbest yol hızla artar ve uçağın karakteristik ölçeğinin oranı artık küçük değildir.Radefied gazın etkisi dikkate alınmalıdır.Örneğin, 60km civarındaki akış kayma akışına dönüşür ve yükseklik ile akış artar. Bu bir geçiş akışı veya hatta serbest bir moleküler akış haline gelir.Nadiren gaz etkisi duvar hızı kayması / sıcaklık sıçraması, yerel termodinamik dengesizlik ve diğer sorunları beraberinde getirecek ve akış yapısını değiştirecektir. Havacılık ve uzay aracının karmaşık konfigürasyonu, büyük özellik boyutu ve yüksek irtifada jetlerin doğrudan kuvvet kontrolü ihtiyacı nedeniyle, ince / sürekli bir arada varoluş havzalar arası problemi ön plana çıkmakta ve ince koşullar altında akış mekanizmalarının anlaşılması ve analizi için daha yüksek gereksinimler öne sürülmektedir. .
Şekil 7 Standart atmosferik basınç altında havanın titreşim uyarma, ayrışma ve iyonlaşma aralığı
Seyreklik / yüksek sıcaklık gibi karmaşık fiziksel ve kimyasal süreçlerin varlığı da yüksek irtifa ve yüksek hızlı uçuş sırasında sınır tabakası akışını daha karmaşık hale getirmektedir.Yükseklik arttığında türbülans derecesi azalmakta ve akış viskozitesi etkisi artmakta, tüm bunlar, mekanizmanın belirsiz olduğu akış geçiş problemini daha da karmaşık hale getirmektedir. Hava soluyan motorun iç akışı ile uçağın dış akışı arasındaki güçlü bağlantı, aynı zamanda daha karmaşık şok sınır tabakası girişimine, sınır tabakası geçişine ve viskoz girişime yol açacak ve bu da yukarıdaki sorunların karmaşıklığını daha da artıracaktır.
Geniş hız menzilli uçuşa uyum sağlamak için, havacılık araçlarının değişken geometrili uçuş, düşük kaldırma seviyeli iniş ve diğer sorunları dikkate alması gerekebilir; iki aşamalı veya çok aşamalı yörüngeli uçaklar için, karmaşık konfigürasyonların yüksek hızda ayrılması, değişken geometrili uçuş ve yüksek hızlı ayrılma gibi konuları dikkate almak gerekir. Süreçteki akış mekanizmasının anlaşılması, dinamik süreç simülasyonunun ve analizinin temelinin yanı sıra uçuş güvenliğini doğrudan etkileyecek karar vermenin temelidir.
Şu anda, yukarıda bahsedilen karmaşık akış problemlerinin yerel temeli nispeten zayıftır.Havacılık ve uzay aracı araştırma ve geliştirme ihtiyaçlarını karşılamak için, yüksek sıcaklık, incelik, incelik / sürekli bir arada yaşama, yüksek Mach sayısı geçişi ve yüksek Mach sayısı kademeler arası ayırma gibi karmaşık akış geliştirme mekanizmalarına odaklanmalıyız. Problem araştırması.
2.2 Karmaşık bağlantılı ortamlarda aerodinamik özelliklerin tahmini ve doğrulanması
Bölüm 2.1'de bahsedildiği gibi, havacılık araçları, yüksek irtifalarda ve yüksek hızlarda uçarken seyrek gaz etkileri, yüksek sıcaklık gaz etkileri ve şok / sınır tabakası paraziti gibi karmaşık akış fenomenleriyle karşılaşacak ve bu da uçağın yüzey basıncını ve sıcaklık dağılımını önemli ölçüde değiştirecek ve uçağın aerodinamik kuvvetini / ısısını etkileyecektir. karakteristik. Şekil 8 (a), ABD uzay mekiğinin fırlatma momentinin hücum açısı ile değişim eğrisini göstermektedir.Yüksek sıcaklıktaki gaz etkisi dikkate alınmadığında, 40 ° hücum açısını korumak için asansör sapma açısı yaklaşık 7 ° 'dir; yüksek sıcaklıktaki gaz etkisi dikkate alındıktan sonra, eğim Tork katsayısı düzeltme miktarı 0,02'ye ulaşabilir ve bu da asansör trim açısını yaklaşık 9 ° artırır. Şekil 8 (b), Rus uzay mekiği "Blizzard" ın başının durma noktasına yakın sıcaklığın, duvarın (Kw) katalitik özelliklerinden etkilendiğini ve farklı derecelerde yüksek sıcaklıktaki gazın etkisinin neden olduğu sıcaklık farkının 300 K'ye ulaşabileceğini göstermektedir. Sapma% 20'ye kadar ulaşabilir.
a) ABD uzay mekiğinin eğim momentine yüksek sıcaklıktaki gazın etkisi
b) Uzay mekiği Blizzard'ın ön kenarındaki durgunluk noktasının sıcaklık değişimi geçmişi
Konvansiyonel yüksek hızlı uçaklarla karşılaştırıldığında, havacılık araçları büyük bir ölçeğe sahiptir.Mevcut yer testi ekipmanının boyut kısıtlamaları nedeniyle, uçak test modeli büyük ölçekte küçültülmelidir, bu da motorun sınır katmanını ve iç akışını gerçekten simüle edememeye neden olacak ve iç ve dış akışları entegre edecektir. Aşağıdaki koşullar altında temel aerodinamik performans verilerini elde etmek zordur; aynı zamanda, birleşik gücün küçültülmüş simülasyonu için benzerlik kriteri yoktur ve uçak küçültme modeli aracılığıyla birleşik güç entegrasyonu ile test verilerini doğrudan elde etmek imkansızdır. Entegre test yöntemleri, test teknolojisi, simülasyon kriterleri ve hız alanı (alt / açıklık / süper / süper) kayış gücünün diğer yönleri üzerine araştırma.
Havacılık ve uzay aracı, termal koruma karoları arasındaki boşluk, alternatif termal yükün etkisi altında tasarım durumundan sapan adımların boyutu / şekli ve atmosferik parçacıklardan etkilenen termal koruma plakaları dahil olmak üzere, atmosferde tekrar tekrar seyahat etme sürecinde kaçınılmaz olarak termal koruma sistemine zarar verecektir. Erozyon, önemli çizikler ve çukurlar üretir. Isı koruma plakasının yüzeyindeki hasarın görünümü, boşluğun boyutu / şekli ve adımların değişmesi, hava aracı yüzeyinin termal ortamını önemli ölçüde etkileyecek ve bu da termal koruma sisteminin arızalanmasına ve havacılık uçağının güvenliğini tehlikeye atacaktır.Atmosferik parçacık erozyonu / aerodinamik / yapısının gelişimi vurgulanmalıdır. Çok alanlı birleşik termal ortam analizi ve doğrulama teknolojisi.
Havacılık ve uzay araçları tek bir uçuşta uzun süreli uçuş problemleriyle karşı karşıya kalırlar.Geniş frekanslı titreşimli basınçta bulunan yüksek frekanslı bileşenler düşük devirli yapısal yorgunluğa neden olabilir. Tekrarlanan kullanım sürecinde, aynı zamanda yapısal parçalarda yüksek devirli yorulma problemlerine, tasarım aşamasında yorulmaya neden olacaktır. Yük spektrumunun tasarımı ve yorulma yükü analizi, uzay aracının yapısal tasarımını ve yapısal ömrünü doğrudan etkileyecektir.Yüksek Mach kuvveti / ısı / gürültü bağlı yorulma yükü teknolojisi üzerine yapılan araştırmalar göz ardı edilemez.
Havacılık ve uzay araçlarının yapısal kütlesi ve taşıma kapasitesi "sıfır toplam" ilişkisine sahiptir Yapısal kaliteyi kontrol ederek, daha yüksek taşıma yükü kütlesi elde edilebilir.Daha yüksek ekonomik faydalar sağlamak için, havacılık araçları genellikle hafif, kaldırma benzeri bir şekle sahiptir. Karakteristik olarak, bu, uçak gövdesinde büyük ölçüde esnekliğe, uçuşta büyük deformasyonlara ve karmaşık termal ortamlarda aeroelastik sorunlara yol açacaktır.Bu nedenle, buna göre büyük ölçekli hafif kaldırma uçağı termo-aeroelastik tahmin ve doğrulama teknolojisinin geliştirilmesi gerekmektedir.
2.3 Büyük hava sahası, geniş hız aralığı ve yüksek kaldırma-sürükleme oranının aerodinamik yerleşim tasarımı
Havacılık ve uzay aracı, geniş bir hava sahasında ve geniş bir hız aralığında görev profili niteliğindedir.Atmosferde hızlı ve serbest bir şekilde gidilebilmesi için aynı zamanda yüksek manevra kabiliyetine ve yüksek ivmeye sahip olması ve tam hız aralığında yüksek bir kaldırma-sürükleme oranına sahip olması gerekmektedir.
Şekil 9 Düşük hız (üst) ve hipersonik (alt) yüksek kaldırma-sürükleme oranı görünüm karşılaştırması
Havacılık ve uzay aracının geniş bir hız aralığında uçuşu sırasında, Mach sayısındaki büyük değişiklik nedeniyle uçağın stabilitesi büyük ölçüde değişir.Genel hız aralığında uçağın stabilite ve manevra kabiliyeti tasarımını elde etmek geleneksel aerodinamik yerleşim yöntemini sağlamak zordur. Yüksek sıcaklıkta gaz etkisinin görünümü, aynı zamanda, uçağın dengesini büyük ölçüde değiştiren basınç merkezinin hareketine neden olur.Aynı dümen yüzeyi, farklı hız aralıklarında farklı kontrol verimliliğine sahiptir, bu da uçağın stabilitesini tasarlamayı ve eşleştirmeyi zorlaştırır.Geniş hız menzilli hava soluyan uçakların dengesini güçlendirmek gerekir. Yukarıdaki problemleri çözmek için tasarım / eşleştirme teknolojisi araştırması.
Havacılık ve uzay aracı aynı zamanda düşük hızda kalkış ve iniş yeteneklerine sahip olması gerektiğinden, aerodinamik yerleşim tasarımı hem hipersonik şekli hem de düşük hızlı kalkış şeklini ve hatta düşük hızda yüksek kaldırma ve yüksek hızda yüksek kaldırma-sürükleme oranını sağlamak için deforme olabilen bir uçak tasarımını hesaba katmalıdır. , Hava soluma gücünün kullanılması, iç ve dış akış alanlarını güçlü bir şekilde birbirine bağlar, geniş bir hız aralığında itme ve direnci eşleştirme ihtiyacı ve geniş hızlı ayarlanabilir emme motorlarının uçak gövdesi, vb. İle eşleşen tasarımı, havacılık aracı aerodinamik yerleşim tasarımını verir. Büyük bir meydan okumaya gelin.
3. Sonuç
Havacılık ve uzay araçları, uzay ulaşım sisteminin gelecekteki gelişim yönüdür.Aerodinamik teknolojinin araştırılması, havacılık araçlarının görev ortamının anlaşılmasında ve diğer anahtar teknolojilerin geliştirilmesinde büyük bir role sahiptir.
Havacılık ve uzay aracının görev ortamı ve görünüm özelliklerine göre, bu makale havacılık aracıyla ilgili üç temel aerodinamik sorunu analiz eder ve ana araştırma yönlerini sıralar:
(1) Geniş bir hava hızı aralığında uçmanın neden olduğu yüksek sıcaklık / seyreklik gibi karmaşık akış mekanizmalarına yanıt olarak, yüksek sıcaklık / nadir gaz etkisi, seyreklik / sürekli bir arada yaşama, yüksek Mach sayısı geçişi ve yüksek Mach sayısı kademeler arası ayırma gibi karmaşık akışlara odaklanmak gerekir. Mekanizma araştırması;
(2) Karmaşık bağlantılı bir ortamda aerodinamik özelliklerin tahminini ve doğrulanmasını hedefleyerek, yüksek sıcaklık / nadir bağlantı kuvveti termal ortamı, atmosferik parçacık erozyonu / aerodinamik / yapı çok alanlı birleşik termal ortam, yüksek Mach kuvveti / termal / gürültü birleştirme yorgunluğuna odaklanmak gerekir. Yükler gibi karmaşık bağlantılı ortamlarda aerodinamik özellikleri tahmin etmek ve doğrulamak için teknolojilerin geliştirilmesi;
(3) Büyük hava sahası, geniş hız aralığı ve yüksek kaldırma-sürükleme oranı için aerodinamik yerleşim tasarımı sorununu hedefleyerek, tam uçuş zarfının yüksek kaldırma-sürükleme oranı tasarımını, geniş hız aralıklı hava soluyan uçakların stabilite tasarımını / eşleşmesini, geniş hız aralığında ayarlanabilir giriş motorunu ve Vücut eşleştirme tasarımı gibi zor teknolojiler.
Bu makale "Tactical Missile Technology" 2018 No. 4'ten alınmıştır | Yazar: Wang Lining
(Bu makale bir ağ alıntı veya yeniden basımdır, telif hakkı orijinal yazara veya yayın medyasına aittir. Çalışmanın telif hakkına dahilseniz, lütfen bizimle iletişime geçin.)
