[科普中国]-高超声速空气动力学

研究进展

高超声速空气动力学是研究高超声速空气流动规律和空气与高超声速飞行器相互作用的科学，作为现代空气动力学的前沿，它随着现代高超声速飞行器的发展需求而发展。一般将飞行马赫数大于5的流动称为高超声速流动，也有人认为高超声速流动可定义为:随着马赫数的增大，某些物理流动现象变得越来越重要的一系列流动范畴。

高超声速空气动力学，是一典型的非线性力学领域。60年代，由于发展远程导弹的需要，它有过一段繁荣时期。70年代，阿波罗飞船登月后，普遍认为高超声速气动问题不多了，于是高超声速研究学者迅速减少，研究工作处于低潮。80年代以后，由于在研制航天和空天飞机中，出现了大量高超声速气动力、热新问题。因此它吸引了很多 学者重新集中到这一领域，高超声速空气动力学又而临一个新的繁荣时期。2

国外情况美俄经飞行器高超声速再入、载人飞船、航天飞机等研究阶段，解决了“热障”、“黑障”及可重复使用等技术难题。近年来，美国又推出的3类“高超声速”飞行器，如X-51A巡航导弹、X-37B小型航天飞机和HTV-2滑翔飞行器，被视为拉动美国高超声速技术的“三驾马车”，是美国实施“全球快速打击”战略的核心武器系统，也代表了近代高超声速飞行器发展的方向。2008年2月，美国国防部向美国国会递交了《国防部高超声速计划路线图》，在这个文件中，美军扩大了高超声速技术的定义:使大气层高超声速机动飞行成为可能的技术。该路线图进一步明确了美军的高超声速计划的目的是为美军提供3项未来的作战能力:打击/持久作战能力；空中优势/防御能力；快速进入空间能力。这个路线图对上述的3个方面都提出了由一系列技术产品支撑的路线图。这些技术产品包括:吸气式高超速飞行器，如美国空军的X-51A、海军的HyFly等；高超声速助推滑翔飞行器，如HTV-2、陆军的AHW等；小型无人航天飞机X-37B等。以火箭助推的X-37B和AHW获得成功，但同样以火箭助推的HTV-2在两次失败后，立即调整为“综合高超声速(IH)”计划。这些飞行器的发展极大地推动高超声速空气动力学学科的发展，特别是促进临近空间高超声速空气动力学的发展。比如HTV-2的两次飞行试验失败提醒我们在高超声速飞行器研制方面还存在科学上的盲区，对影响飞行稳定性的规律认识不足，导致控制技术的失败。特别对于临近空间的高超声速远距离滑翔飞行，时间较长，必须进行防热、气动和控制的一体化设计，其难度就远远高于一般的再入飞行器。而高速导致的飞行器表面附近的高温会引起气体的电离以及飞行器表面材料的烧蚀,在此条件下的空气动力学问题变得十分复杂，至今还缺乏有效和可靠的计算模型和实验方法及手段。再如，有动力的飞行器，如依靠超燃冲压发动机的飞行器，其发动机的工作窗口极其狭窄，错过一点点,超声速燃烧就不能维持，另一方面，温度升高使声速升高，不及时补偿的话，也会破坏超声速燃烧的条件。2010年5月26日的X-51A第一次飞行试验，因热燃气的泄漏使巡航飞行器后部的温度和压力升高,导致遥测信号丢失，飞行试验提前终止。2011年6月13日第二次飞行试验因进气道未启动失败。2012年8月14日进行的第3次飞行试验，助推器点火后不久,因其中一个控制翼出现故障，导致X-51A仅飞行16s后就坠入太平洋。这也反映了人们对和超燃冲压发动机有关的科学问题认识不足，影响了技术的发展。3

国内情况自20世纪60年代以来，经过几十年的努力，取得很大进展，我国高超声速空气动力学研究能基本满足现有型号选型和部分定型试验要求，在发展理论与数值计算、地面模拟试验和飞行试验等3大手段,解决型号气动问题方面取得了大批研究成果，使得对飞行器气动特性的预测能力和设计水平有了很大提高，为我国战术战略导弹、运载火箭、载人飞船和其他航天器研制做出重要贡献。到了21世纪初，临近空间飞行器成为一个热门的新领域，临近空间高超声速飞行器的研制涉及到多方面的科学和技术,如高超声速空气动力学、热防护的理论和技术、导航制导控制理论和技术、测控与试验技术、型号总体设计、末制导与战斗部等，是21世纪航空航天领域的制高点之一，体现了一个国家的科技实力和经济实力，国家成立了“高超声速飞行器科技工程”等重大科技专项，推动工程化发展。3

根据文献报道，近5年来我国在高超声速空气动力学研究和应用方面取得显著进展:研究了多种高超声速气动布局，包括轴对称旋成体、翼身组合体、翼身融合体、升力体和乘波体等，有效提高了飞行器的升阻比；建立了改善高超声速条件下静/动稳定性的气动布局设计方法；研究了对高超声速飞行气动热环境预测和热管理技术；利用理论分析、数值模拟和地面风洞试验，研究了若干种气动布局在高超声来流条件下的飞行稳定性和操纵特性，发展了飞行器动稳定性理论和CFD/RBD耦合计算方法;飞行器结构气动弹性研究取得重大进展，突破了高超声速风洞颤振试验技术等。3

在风洞试验方面，一方面为取得上述成就作出了重要贡献；另一方面，也还存在不足，主要体现在3个方面:(1)试验测试技术。我国缺乏精细的气动力和气动热测量、摩阻测量、转捩与湍流测量、非接触测量、流动显示等。(2)试验模拟能力有差距。美俄都配套有多座1.2m不同类型的高超声速风洞，模拟马赫数、动压范围宽，还配有超/高超声速静风洞，可进行湍流机理方面的基础研究。(3)试验分析和支撑能力不足。美俄都形成了气动研究与型号设计紧密联系的体系。如在X-43A的飞行试验计划中，风洞试验和数值模拟不仅为X-43A的气动外形设计提供支撑，还为发射、级间分离和飞行控制提供了技术支撑。在数值模拟方面的差距主要表现为:缺乏在特定飞行环境下计算所需物理建模的基础理论和数据、计算能力不足和数值模拟软件界面对用户不够友好等。3

我国研究方向高超声速绕流高超声速飞行器外形有：钝头体、小钝锥、组合体等，我国学者研究初期曾用摄动方法和数值方法（积分关系法、特征线法、有限差分法等)研究钝体和小钝锥绕流流场与波系结构，随后逐步应用欧拉方程、简化N-S方程进行数值模拟。高超声速飞行器绕流具有薄激波层、高熵层、复杂波系、低密度和黏性相互作用等独特流动物理现象。飞行器的复杂几何结构，特别是进气道附近，可以引起波系的相互作用，并导致机翼前沿，进气道下唇口热流增加，因此，往往需要进行气动力、气动热和推进系统一体化的设计方案。4

气动加热和热环境高超声速飞行器的事故往往源自热防护失效，因此，气动加热研究一直备受重视。髙超声速滞止区，包括底部是气动热问题最严重的区域，早在20世纪60年代就给出了驻点传热率的经验公式。我国科学家利用激波风洞、电弧加热器或燃气流装置创造的高焓热流环境，进行了飞行器气动加热的实验。此外，也开展了飞行器肩部和突起物区的局部传热率的测定。发展了高温边界层理论，计算高超声速湍流边界层内的传热和传质；高温边界层转换是流动稳定性研究的难题，想要考虑由于气体热化学效应和其他诸多因素如：表面冷却速率、飞行器头部钝度、高熵层发展、局部横向流动、飞行器物面粗糙度、表面突出物、质量射流的影响。4

再入物理现象研究由于电离现象发生，在高超声速飞行器周围往往会形成等离子体鞘套和电离尾迹，从而影响飞行器的光电特性和通讯质量。为此，我国科学家开展了不同环境参数条件下纯空气或具有烧蚀产物的头部、后身、尾迹乃至全目标的高超声速绕流流场及其光电特性研究。理论计算了尾迹的雷达散射截面和回波特性，分析不同波段辐射系数，用激波管或弹道靶测定高温气体流场电子密度、电离速率常数、松弛时间，分谱辐射特性，给出环境参数及烧蚀材料对流动光电特性的影响。研究了电磁波在等离子体鞘套中传播规律和受电子密度、电波频率和鞘套厚度等参数的影响规律，计算天线阻抗，提出减轻通讯中断的措施等。4

稀薄气体动力学于1947年由钱学森开创，指的是研究在高空低密度空气环境下当分子平均自由程与飞行物体尺度相当时的流动问题，真空物理和微流动也属于该学科的研究范畴。按照Kn数(λ/L，分子平均自由程与流动典型尺度之比）的大小，稀薄气体动力学分为三大领域：滑流领域（0.01