再入飞行器基于气动力热约束的飞行轨迹控制优化研究

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1、2013年第3期导弹与航天运载技术No.32013总第326期MISSILESANDSPACEVEHICLESSumNo.326文章编号：1004-7182(2013)03-0005-05DOI：10.7654/j.issn.1004-7182.20130302再入飞行器基于气动力热约束的飞行轨迹控制优化研究高明周，王志瑾，南英（南京航空航天大学，南京，210016）摘要：为了计算再入飞行器的可压流场特性，采用计算流体力学（CFD）方法获得不同工况下飞行器流场的气动特性。通过对多个工况点下流场热力学状态的分析与对比，给出高超声速飞行器再入飞行过程中的气

2、动加热率与气动特性的数值分布，并依据这些数据对再入飞行器进行飞行轨迹的一体化优化设计与总体飞行仿真。关键词：高超声速；再入飞行器；气动热力学；数值仿真计算；轨迹优化；总体飞行仿真中图分类号：V411.4文献标识码：ATrajectoryControlOptimizationStudyofReentryVehicleBasedonAerodynamicThermalConstraintsGaoMingzhou,WangZhijin，NanYing(NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing,

3、210016)Abstract:Theaerodynamiccharacteristicsofreentryvehicleflowfieldunderdifferentworkingconditionswereobtainedwithcomputationalfluiddynamics(CFD).Throughanalysisandcomparisonofflowfieldthermodynamicstateundermultipleoperatingpoints,thenumericaldistributionofaerodynamicheating

4、rateandaerodynamiccharacteristicsinthecourseofreentryflightwaspresented.Basedonthesedata,integratedoptimizationdesignofthetrajectoryandtheoverallflightsimulationwereconducted.KeyWords:Hypersonic;Reentryvehicle;Aerothermodynamics;Numericalsimulationandcalculation;Trajectoryoptimi

5、zation;Overallflightsimulation0引言1数值仿真方法在再入飞行器的发展过程中，气动加热是飞行器考虑非平衡态气体振动激发与化学反应过程的守在高超声速飞行过程中一个需要解决的重要问题。围恒型N-S方程组，探讨不同飞行情况下的再入飞行器绕在飞行器周围的流场存在着激波、漩涡、粘性层、的气动特性。剪切层，并且这些复杂的因素之间存在着相互作用，1.1质量守恒方程相互干扰，因此被列为热防护设计中必须要事先明确流体的流动在任何时候都要满足质量守恒定律，的问题。中国已采用三维数值仿真计算高超声速飞行即：流体在单位时间内，其微元体中所增加的质量

6、，[1]器再入时的流场。等于在相同的时间间隔内该微元体流入的净增加的质本文采用CFD三维数值方法对再入飞行器多工况量。点下飞行器的流场进行计算，通过大量的数值仿真，根据质量守恒规律，可以得到如下的守恒方程：较详细地给出了飞行过程中高超声速流场的气动特∂∂ρρρρ()()()uvw∂∂+++=0（1）性，并依据这些数据对飞行器进行了轨迹优化与总体∂∂∂∂txyz飞行仿真。式中ρ为密度；t为时间；u，v，w分别为x，y，[2~4]z3个方向上的速度矢量。收稿日期：2012-04-16；修回日期：2013-04-08作者简介：高明周（1985-)，男，硕士研

7、究生，主要研究方向为高超声速飞行器热防护系统6导弹与航天运载技术2013年1.2动量守恒方程热率、升力系数和阻力系数，并依此对飞行器进行了动量守恒定律是自然界中最普遍的守恒定律之轨迹优化与总体飞行仿真。一，任何流动的基本定律都要满足动量守恒的一般规鼻锥驻点和头部1/3处气动加热率随马赫数的变律，即：包含在流体中的微元体的动量相对于时间的化情况分别如图1，图2所示。从图1，图2可以看出，变化等同于作用在流体微元体上的各种外界作用力之随着来流马赫数的增加，鼻锥驻点和头部气动加热率和。动量守恒定律实际可看成是牛顿第二定律。动量不断增加。守恒方程在x，y，z3

8、个方向上的表述如下：∂()ρu∂∂Pττxx∂τyx∂zx+div(ρUuF)=−++++x∂