高超音速飛行器是本世紀(jì)正在研發(fā)的前沿科技新項(xiàng)目,它又被稱作“近空間高超音速飛行器(NSHV)”。從科技的角度分析,高超音速飛行器同時(shí)融合了航天和航空的諸多前沿技術(shù),這些前沿技術(shù)與傳統(tǒng)飛行器技術(shù)比較,主要有以下幾方面特點(diǎn):復(fù)雜的氣動(dòng)特性;使用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī);飛行器機(jī)體與發(fā)動(dòng)機(jī)一體化;飛行器機(jī)體與推進(jìn)系統(tǒng)和飛行器結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)之間耦合強(qiáng);飛行器模型非線性度高;飛行器飛行高度、速度跨度大;飛行環(huán)境復(fù)雜,瞬息萬變;氣動(dòng)特性和氣熱特性變化劇烈;控制精度高,末制導(dǎo)難度大。
高超音速飛行器飛行高度可達(dá)離地面20~100km的大氣層空間,這一空間位于低軌衛(wèi)星軌道的下方、一般飛機(jī)的飛行高度的上方,包括大氣平流層、中間層和部分熱層,是尚待開發(fā)的近空間區(qū)域。
國際學(xué)界高度評(píng)價(jià)了該項(xiàng)工作,認(rèn)為其構(gòu)建了氣動(dòng)加熱新原理,對(duì)于改進(jìn)高超飛行器的設(shè)計(jì),提高其安全性具有極為重要的意義。一般認(rèn)為高超聲速邊界層中的氣動(dòng)加熱來自于壁面摩擦力的剪切做功,該課題組運(yùn)用多種實(shí)驗(yàn)手段在北京大學(xué)高超聲速靜風(fēng)洞中展開實(shí)驗(yàn),并結(jié)合理論和計(jì)算方法,發(fā)現(xiàn)由包括脹壓粘性在內(nèi)的脹壓做功過程會(huì)在轉(zhuǎn)捩前期產(chǎn)生劇烈的氣動(dòng)加熱,其大小可能超過完全湍流狀態(tài)下的氣動(dòng)加熱值,這一過程與由二次模態(tài)波引起的高頻壓縮——膨脹過程緊密相關(guān)。這一重要發(fā)現(xiàn)告訴人們,在高馬赫數(shù)流動(dòng)中,脹壓做功特別是脹壓粘性系數(shù)的作用不可忽視,準(zhǔn)確評(píng)估其大小對(duì)于高超轉(zhuǎn)捩的理論分析和計(jì)算建模具有極為重要的意義。
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