PDF《高超声速飞行器舱内压力预测》

1 ) 舱体内温度和气压恒定不变;

2 ) 舱体内气体流速为零;

3 ) 气体在舱体内外流动过程中为准一维等熵 无黏流;

4 ) 计算所选取的流量系数取决于充排气系统 的横向气流马赫数的经验数据. 采用准一维等熵流公式进行沿弹道充排气过程 的分析流程如图 3所示.在沿弹道舱内压力的计算 过程中, 需要指定弹道参数、 充排气孔当地压强、 典 型状态下的充排气系数等相关数据, 进而采用准一 维等熵流量公式计算该时刻质量流量系数, 以确定

6 5 宇航学报 第37卷 舱内压力. 图3准一维等熵流方法计算流程 F i g .

3 F l o wo f t h eq u a s i o n e d i m e n s i o n a l i s e n t r o p i cf l o wm e t h o d 根据准一维等熵流理论, 理想气体在充排气孔 处的马赫数 M为[

7 -

9 ] : M =

2 γ- [

1 P U P ( ) D γ -

1 γ - ] 1(1)式中: γ为比热比;

P U 和PD分别表示上、 下游压强. 马赫数 M如果大于

1 , 则充排气孔中气流会壅塞. 利用马赫数 M可以得到通过充排气孔的气体流量 z m为[

7 -

9 ] : z m =K A P U γ R T U[M1+ γ-1

2 M ]

2 γ +

1 2 ( γ -

1 ) (

2 ) 式中: T U 为上游气体温度;

K为充排气系数;

A为充 排气孔面积;

R为气体常数.在飞行器上升阶段, P U 为舱内压强 P C , P D 为舱外压强 P L ;

在飞行器下降阶 段, P U 为舱外压强 P L , P D 为舱内压强 P C .舱外压 强PL可通过式(

3 ) 计算得到: P L =C P q ∞ +p ∞ (

3 ) 式中: C P 为压强系数;

p ∞ 为来流压力;

q ∞ 为来流动 压. 在进行高超声速飞行器设计时, 由于需要关注 其舱体内外压差迅速变化的情况, 应考虑舱体内的 连通结构、 舱内复杂设备的实际影响.为避免复杂、 大量且成本较大的风洞实验, 可采用 C F D计算的方 法计算典型飞行状态下孔外当地压强和充排气系 数, 以更加准确地预测舱段中压力的变化情况. 采用 C F D方法进行充排气系数计算时, 需要首 先根据飞行器的气动外形和飞行条件建立其仿真分 析模型并进行定常流场求解.在获得其稳态解后, 将舱内压强设置为一个较小值并以此流场为基础, 进行充排气过程的非定常 C F D数值模拟, 直到其内 外流场再次达到稳态.在这个过程中, 统计舱内平 均压强、 排气孔质量流量等随时间的变化, 进而可以 确定不同压强比下的充排气系数 K为: K = z m a c t z m t h (

4 ) 式中:z m a c t为采用 C F D非定常数值仿真得到的质量 流量,z m t h 为采用准一维等熵流方法得到的理论解 析解. 针对高超声速飞行器的充排气孔的布置特点, 可采用 C F D方法确定典型马赫数状态的孔外当地 压强、 充排气系数等参数, 并与准一维等熵流方法结 合进行沿飞行弹道的舱内压力预测, 分析流程如图 4所示. 图4准一维等熵流与 C F D方法结合的舱内压力预测流程 F i g .

4 I n t e r n a l p r e s s u r ep r e d i c t i o nf l o wb yc o m b i n i n gt h e q u a s i o n e d i m e n s i o n a l i s e n t r o p i cf l o wa n dt h eC F Dm e t h o d 通过上述准一维等熵流和 C F D相结合的分析 方法及流程, 可以实现任意飞行状态下气动外形及 充排气孔外形、 位置、 方位对充排气系数的影响分 析, 进而获得舱内压力沿弹道的变化.该方法解决 了准一维等熵流方法在高超非定常状态下的计算偏 差问题, 以及 C F D方法在沿弹道长时间、 多种飞行 状态下的复杂模型仿真的问题, 避免了大量的风洞 实验.