气动弹性与气动热弹性研究进展
摘要
高超声速飞行器一般是指飞行马赫数大于5且能够在大气层和跨大气层中实现远程飞行的飞行器，根据超音速飞行器的经验可知，气动弹性模拟对于高超声速飞行器的研究是非常关键的。
经典气动弹性是指结构惯性、弹性和气动之间的相互作用，现代气动弹性包括比较宽泛的一系列问题，包括结构惯性、弹性、气动、控制和热效应等方面，因此经典静气动弹性和热气动弹性问题的研究具有重要意义。
本文首先介绍研究背景意义，然后分别从研究重视程度及历史研究进展，气动力建模，气动热效应等方面对气动弹性与气动热弹性研究进行了综述，并指出由于缺少高超声速气动弹性实验数据及气动弹性分析所需的气动热结构模型的可信度有待验证，相关技术远未成熟，需要继续深入探索。
1. 引言
高超声速飞行器主要采用细长升力体布局，典型气动外形如图1所示。
通常在重量的约束下，高超声速飞行器的机体和操纵面普遍采用轻质结构，因此其结构刚度偏小。
高超声速飞行器的典型飞行包线如图2所示，其Ma在0~15范围内，而且必须在大气层范围内持续飞行一定时间，以满足吸气式推进系统的要求。
飞行器机体在气动热和气动力复合载荷作用下，将在流动、结构、控制和推进系统之间产生复杂的相互作用。
另外，根据亚音速和超音速飞行器的经验可知，气动弹性模拟对于高超声速飞行器的研究是非常关键的。
而风洞缩比模型的气动弹性和热气动弹性的试验能力是有限的，无法真实模拟高超声速飞行器的真实环境。
因此，对高超声速飞行器的气动弹性数值模拟研究是非常迫切。
图1. 高超声速飞行器布局示意图
图2. 高超声速飞行器的飞行包线
经典气动弹性是指结构惯性、弹性和气动之间的相互作用。
现代气动弹性包括比较宽泛的一系列问题，包括结构惯性、弹性、气动、控制和热效应等方面，如图3.所示。
正如图中所描述的，经典气动弹性由惯性、弹性和气动构成的三角形组成。
在该三角形基础上加上控制构成气动伺服弹性，如图3中上面的四面体。
如果加上热效应则构成热气动弹性，如图3中下面的四面体。
下文主要介绍经典静气动弹性和热气动弹性问题研究进展。
图3. 气动-伺服-热-弹性六面体
2. 研究进展和现状
研究重视程度
在上世纪50年代末期和60年代，高超声速空气弹性和热气动弹性研究曾经是一个非常活跃的研究领域。
从上世纪60年代X-15技术验证机的研发开始，美国加强了高超声速相关技术的研究。
利用火箭发动机，X-15A-2在1967年创造了6.72马赫的飞行速度记录。
这期间的研究成果后来在航天飞机研制过程中成为热气动弹性设计的基础。
但在其后相当长一段时期，高超声速热气动弹性问题很少引起关注也很少有相关研究报告。
这一状况持续到美国80年代中期的NASP （National Aero-Space Plane）计划开展时有所改变。
近年来，又受到单级和双级入轨可重复使用运载器（RLV/TA V），长航程吸气式发动机类型高速飞行器HSVs
（air-breathing hypersonic vehicles），如X-33 Venture Star、NASA的Hyper-X、军用无人高速飞行器等一系列高超声速飞行器研制热潮的推动，出现新的热气动弹性研究领域和专题。
特别是从哥伦比亚航天飞机事故中发现高温气体进入其内部导致机体结构破坏是其发生的主要原因，以及高超声速飞行器HTV-2在两次发射中出现了同样的失稳问题（气动加热对于高超声速飞行器的稳定性具有重要的影响），说明热气动弹性是高超声速飞行器研制必须面对和解决的问题。
正如Jack J. Mcnamara所说，研究高超声速飞行器热气动弹性问题，不只是对高超声速飞行器的生存有必要，而且由于吸气式高超声速飞行器的机体与推进、控制系统紧密的耦合在一起，对于其推进与控制系统的研发也具有重要的意义。
气动力建模
一个准确的空气动力学模型是开展气动弹性力学分析的基础，气动力建模本身也是气动弹性力学研究的重要组成部分和关键技术之一。
近年来随着CFD技术的发展，求解Euler/N-S方程的数值方法由于计算精度更高、能捕捉丰富的流场细节和模拟复杂物理条件等优势逐渐成为计算气动弹性研究的热点。
但是，目前现有的基于CFD的气动力模型还存在计算量大、不便于系统的参数设计和定性分析等问题。
由于高超声速流场的当地效应很强，前人基于无粘流理论提出了一些简化的气动力工程计算方法，包括牛顿法、切楔/切锥法、活塞理论和激波膨胀波法等。
这些方法在各自的使用范围内具有较高的精度，基本满足工程应用要求。
对于需要大量耦合迭代过程的气动弹性分析而言，气动力工程计算方法在保证精度的前提下计算效率高具有很大的优势，因此国内相关研究单位采用求解Euler/N-S方程的数值计算方法作为补充,对气动力进行了多种效应的修正。
气动热效应
气动加热效应是高超声速飞行器气动热弹性的核心问题之一。
首先，由于结构材料的温度效应使材料特性发生变化，以及由于结构受热产生的热应力，都会对结构动力学特性产生影响；反过来，飞行器结构及表面的气动热效应也会对流场的热动力学和输运特性产生明显的影响，如：热传导率、比热比的变化、气体的离子化以及壁面辐射产生的非绝热效应等。
另外，气动加热输入条件的快速变化或非平衡温度分布都会引起时滞变化的热应力。
例如：攻角变化就是热气动弹性分析的重要因素。
攻角变化可引入附加的热应力效应，在温度和加热时间不变的条件下，可显著降低结构刚度。
大量研究表明，高超声速飞行产生的高温和气动加热，造成结构的温度梯度、热载荷、热应力与材料特性的变化，不但影响结构振动模态和频率，可能给颤振边界带来戏剧性的影响；而且对飞行配平及飞行控制特性都会产生严重影响。
3. 结论
高超声速流动本身十分复杂, 流场存在真实气体效应、激波附面层干扰和稀薄气体效应等，同时超轻质、高强韧材料的应用以及大热流及长时加热条件也给气动弹性/热弹性的准确计算带来很大的困难。
总之，与传统的亚、跨、超声速气动弹性/热弹性问题相比，高超声速的问题在研究方法有很大不同，缺少高超声速气动弹性实验数据，气动弹性分析所需的气动热结构模型的可信度有待验证，相关技术远未成熟，需要深入地探索和研究。
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