[科普中国]-侧向喷流

简介

高超声速来流中的超声速侧向喷流与来流形成的干扰流场非常复杂，喷流在出口附近形成各种激波结构，同时与飞行器的外部流场产生的波系结构发生干扰，使得各自的流场发生改变形成干扰流场，在喷口附近，还产生了分离流动和旋涡等一系列的复杂流动1。

目前的研究指出这种复杂的干扰流场是多种因素共同影响的结果，包括飞行器外形、来流参数、飞行马赫数、飞行攻角、喷口位置、喷口数量、喷流压力等。

意义当喷流射入来流中时，喷流对流场产生复杂的干扰现象，干扰流场对飞行器产生附加的气动力和气动力矩，这对精确的姿态控制是不利的，准确预测干扰流场及其对飞行器气动增益的影响，对于提高喷流控制的效率、保证飞行器在飞行过程中的稳定性具有极其重要的意义。因此目前关于侧向喷流的研究主要是针对侧向喷流干扰流场结构及其对飞行器的气动增益特性展开的。主要有来流条件及飞行器的气动外形对侧向喷流流场的影响、与喷流有关的气动布局对流场气动力和气动增益的影响、喷流介质的真实气体效应和喷流的非定常效应。

研究方法高超声速流中的侧喷流技术被广泛的应用于超声速拦截弹姿态控制、超燃冲压发动机结构设计、等离子体隐身技术等。

对于高超声速飞行器侧向喷流的机理研究，包括侧向喷流干扰流场的结构、飞行器在飞行过程中受到的气动力和启动力矩问题及飞行过程中的热力环境问题等主要是通过理论上的分析、搭建风洞实验进行研究和采用 CFD 模拟飞行器飞行过程的数值计算这三种方式确定的。在实际的工程应用中，大多数的流体力学和空气动力学问题的解析解是几乎不能通过代数运算得到的。

发展史国外在50年代开始了侧向喷流干扰流场的机理研究，重点是针对其应用于飞行器的姿态控制方面。从50年代末到70年代中期，主要利用工程分析和风洞试验的方法定性研究横向喷流干扰的作用机理以及干扰流场的的构型。从80年代末开始，随着先进反导武器和新型天地往返运输器的发展，侧向喷流的研究越显重要和迫切，此期间研究手段更加多样，应用范围更加广泛。美国和俄罗斯对超声速飞行器侧向喷流的干扰流场进行了深入的实验研究，并且对喷流与超来流的干扰建立了数据库。侧向喷流应用十分广泛同时干扰效应的机理又十分复杂，国内外一直在持续的进行投入和研究，AGARD组织将超声速飞行器的侧向喷流干扰效应机理研究及其应用列为解决导弹空气动力学所面临的重大问题的关键技术之一。近年来美国开发出了软件PARCH，用于导弹的侧向喷流干扰流场模拟，该软件能够求解苛刻条件下复杂外形的流场，包括多喷流、发动机热喷、喷流—舵面干扰、强粘性干扰、湍流等。

国内对飞行器的侧向喷流干扰效应的研究工作开展得比较早，具有代表性的是“921-4”姿控系统喷流风洞实验，是在总装29基地进行的。在侧向喷流的数值模拟方面，国内的研究水平与国际较为接近，但多为流场机理的研究，深入计算和试验的相对较少。