高超聲速內(nèi)外流一體化飛行器動態(tài)特性

劉 緒，趙云飛，王東方，劉 偉

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 航天與材料工程學(xué)院，長沙410073）

高超聲速內(nèi)外流一體化飛行器的動態(tài)穩(wěn)定性參數(shù)（工程上常稱為“動導(dǎo)數(shù)”）研究是控制系統(tǒng)設(shè)計和動態(tài)品質(zhì)分析的重要參數(shù)，其工程需求主要體現(xiàn)在以下3個方面［1］：①飛行器軌道設(shè)計的重要參數(shù)；②飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計的重要參數(shù)；③飛行器縱、橫向動態(tài)穩(wěn)定性分析的重要依據(jù)。

隨著美國 HyperX［2］、FALCON（獵鷹）［3］和“黑雨燕”等項目以及在歐洲、日本等項目的相繼開展，吸氣式高超聲速飛行器的研究工作逐漸進(jìn)入到工程預(yù)發(fā)展階段［4］。內(nèi)外流一體化飛行器姿態(tài)控制精度要求很高以確保進(jìn)氣道啟動，其操穩(wěn)特性分析評估也更重要，需要準(zhǔn)確預(yù)測動導(dǎo)數(shù)。X－51“乘波者”高超聲速飛行器第2次飛行試驗，由于超燃沖壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道未能啟動而失敗。HTV－2首飛試驗失敗，在BTT（Bank to Turn）方式實現(xiàn)偏航過程中飛行器沿縱軸偏轉(zhuǎn)，在橫滾速度達(dá)到極限后超出可控范圍。美國工程審查委員會（ERB）分析認(rèn)為：對飛行過程中的若干空氣動力學(xué)關(guān)鍵參數(shù)認(rèn)識有限，在缺少主動控制的條件下，HTV－2將進(jìn)入彈道螺旋飛行（典型的橫側(cè)不穩(wěn)定問題）。

目前國內(nèi)外對動導(dǎo)數(shù)辨識方面的工作主要還是針對傳統(tǒng)的以火箭發(fā)動機(jī)為動力的彈箭類飛行器，對包含內(nèi)流的吸氣式飛行器動態(tài)特性研究較少。因此高超聲速內(nèi)外流一體化飛行器的研制亟需開展動態(tài)特性模擬技術(shù)研究。其核心是三方向（俯仰／偏航／滾轉(zhuǎn)）的直接阻尼導(dǎo)數(shù)模擬方法研究；同時還迫切需要開展加速度導(dǎo)數(shù)、交叉導(dǎo)數(shù)、交叉耦合導(dǎo)數(shù)的數(shù)值算法研究，為縱橫向耦合運(yùn)動特性研究提供技術(shù)支撐。動導(dǎo)數(shù)預(yù)測及穩(wěn)定性預(yù)示將為飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計、高超聲速飛行器動不穩(wěn)定發(fā)生的邊界分析及相應(yīng)的動態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)研究提供關(guān)鍵氣動參數(shù)。

動導(dǎo)數(shù)計算方法分為小擾動線化理論、牛頓理論與氣動力工程模型相結(jié)合的動導(dǎo)數(shù)工程近似方法、模擬動態(tài)實驗的數(shù)值自由振蕩法、數(shù)值強(qiáng)迫振蕩法。工程近似方法的最大特點(diǎn)在于快捷，但依賴于經(jīng)驗性，考慮氣流分離、再附和尾流等效應(yīng)較為困難，對于包含內(nèi)流的一體化復(fù)雜外形流動難以適應(yīng)。因此考慮了流動非線性的模擬動態(tài)實驗的全數(shù)值計算是動導(dǎo)數(shù)研究發(fā)展的重要方向。

本文在Etkin非定常氣動力模型基礎(chǔ)上，給出了小振幅強(qiáng)迫振動下的俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)三方向直接阻尼導(dǎo)數(shù)的強(qiáng)迫簡諧分析方法，并發(fā)展了包括交叉導(dǎo)數(shù)、交叉耦合導(dǎo)數(shù)在內(nèi)的多種動導(dǎo)數(shù)辨識方法。在采用Finner標(biāo)模驗證的基礎(chǔ)上，開展了高超聲速內(nèi)外流一體化飛行器的動態(tài)特性分析。

1 數(shù)值方法

在貼體坐標(biāo)系ξ－η－ζ下，對完全氣體、忽略質(zhì)量

力下的三維無量綱Navier－Stokes方程形式如下：

式中：U為守恒變量；E，F(xiàn)，G為無粘通量；Ev，F(xiàn)v，Gv為粘性通量。

本文在空間上采用二階精度的Roe格式。Roe格式是基于Godunov方法的基本思路發(fā)展起來的，是通量差分分裂（FDS）格式的一種，由于其優(yōu)秀的間斷分辨率和較小的數(shù)值耗散性，目前得到廣泛的應(yīng)用。采用引入“雙時間步”（dual－time－step）方法的LU－SGS隱式格式離散流體運(yùn)動方程時間項。動網(wǎng)格生成采用剛性網(wǎng)格生成方法。遠(yuǎn)場入流邊界采用適用于動態(tài)邊界條件下的一維Riemann不變量的無反射邊界條件。對于定常／非定常超音速出流，邊界點(diǎn)上的值由內(nèi)流場計算結(jié)果外推得到。對于壁面邊界，采用速度無滑移、絕熱壁條件。奇性軸采用外插后周向平均處理。

2 動導(dǎo)數(shù)計算方法

在飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計及軌道（彈道）設(shè)計中，所需要的動態(tài)穩(wěn)定性參數(shù)有數(shù)十個之多。表1列出了一些重要的動態(tài)阻尼導(dǎo)數(shù)［5］。表中：Cl，Cm，Cn分別為滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航力矩系數(shù)；α，β分別為攻角和側(cè)滑角；p，q，r分別為滾動軸、俯仰軸、偏航軸的角速度分量。目前國內(nèi)外公開文獻(xiàn)主要是研究俯仰、偏航或滾轉(zhuǎn)三方向的直接阻尼導(dǎo)數(shù)，而對交叉導(dǎo)數(shù)、交叉耦合導(dǎo)數(shù)的數(shù)值計算較少涉及。本文采用小振幅強(qiáng)迫簡諧分析法給出了多種導(dǎo)數(shù)的數(shù)值辨識方法。

表1 動態(tài)阻尼導(dǎo)數(shù)

飛行器做單自由度的俯仰運(yùn)動，如果其質(zhì)心速度不變，則確定運(yùn)動的獨(dú)立狀態(tài)變量只有攻角α和俯仰角速度q。對俯仰力矩系數(shù)Cm，根據(jù)Etkin假定［6］，俯仰力矩系數(shù)可寫成：

給定強(qiáng)迫振動：α（t）＝θ＝α0＋αmsinkt，其中，α為瞬時攻角，θ為俯仰角，α0為基準(zhǔn)狀態(tài)的攻角，αm為攻角振幅，k為減縮頻率。在k不很大且忽略高階導(dǎo)數(shù)的影響時，當(dāng)非定常振動過程達(dá)到諧振解，通過數(shù)值積分可以求出俯仰阻尼導(dǎo)數(shù)為

式中：ts為積分起始時間，Tc為振動周期。

類似地，通過給定不同的擾動方式可以推導(dǎo)出其他類型的動態(tài)穩(wěn)定性參數(shù)的計算公式。其中強(qiáng)迫滾轉(zhuǎn)運(yùn)動的形式為φ＝φmsinkt，φ為滾轉(zhuǎn)角，φm為滾轉(zhuǎn)角振幅；強(qiáng)迫偏航運(yùn)動的形式為ψ＝ψmsinkt，ψ為偏航角，ψm為偏航角振幅。

3 驗證算例

本文采用Finner標(biāo)模作為驗證算例，F(xiàn)inner標(biāo)模是外形為“十”字翼的導(dǎo)彈，其動態(tài)特性有標(biāo)準(zhǔn)實驗數(shù)據(jù)和基于準(zhǔn)定常歐拉方程的求解結(jié)果。圖1給出了“十”字翼導(dǎo)彈的外形尺寸［7］。導(dǎo)彈全長L為10倍的彈體直徑。本文采用塊間完全對接的多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對稱面網(wǎng)格與分區(qū)情況見圖2。網(wǎng)格總量為200萬。近壁第一層網(wǎng)格到壁面的距離為1×10－4L。

圖1 “十”字翼導(dǎo)彈外形尺寸

圖2 對稱面網(wǎng)格與分區(qū)圖

3.1 俯仰阻尼導(dǎo)數(shù)辨識

給定強(qiáng)迫俯仰振動形式α（t）＝θ＝α0＋αmsinkt，其中初始攻角α0＝1.5°，振幅αm＝1.5°，減縮頻率k＝0.05，質(zhì)心位置Xcg／L＝0.5。

圖3給出了俯仰阻尼導(dǎo)數(shù)的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)［8］和基于準(zhǔn)定常歐拉方程結(jié)果［9］的比較。從中可以看出，本文預(yù)測的俯仰阻尼導(dǎo)數(shù)比文獻(xiàn)中采用準(zhǔn)定常歐拉方程的求解結(jié)果更加接近風(fēng)洞實驗的數(shù)據(jù)。

圖3 俯仰阻尼導(dǎo)數(shù)計算結(jié)果

3.2 滾轉(zhuǎn)阻尼導(dǎo)數(shù)辨識

給定強(qiáng)迫滾轉(zhuǎn)振動形式φ＝φmsinkt，取φm＝2.5°，k＝0.05，Xcg／L＝0.5。

圖4將強(qiáng)迫滾轉(zhuǎn)辨識出的動導(dǎo)數(shù)與文獻(xiàn)［10－11］中的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。滾轉(zhuǎn)阻尼導(dǎo)數(shù)的實驗精度一般不高，主要由于實驗中存在支架、洞壁干擾等不確定因素，這使對同一模型在不同風(fēng)洞中的實驗結(jié)果也存在一定的差異。本文計算得到的滾轉(zhuǎn)阻尼導(dǎo)數(shù)介于2個實驗結(jié)果之間，驗證了方法和程序的可靠性。

圖4 滾轉(zhuǎn)阻尼導(dǎo)數(shù)計算結(jié)果

4 動態(tài)特性分析

高超聲速巡航導(dǎo)彈X－51是美國空軍研究實驗室（AFRL）聯(lián)合波音公司（負(fù)責(zé)機(jī)身）和普惠公司（負(fù)責(zé)發(fā)動機(jī)）研制的一架超燃沖壓發(fā)動機(jī)驗證機(jī)－乘波器（SED－WR）飛行試驗平臺。本文以內(nèi)外流一體化飛行器X－51為背景，利用公開的圖像數(shù)據(jù)資料進(jìn)行反向建模，生成的類X－51三維實體外形見圖5，其進(jìn)氣道內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖6。通過開展小振幅強(qiáng)迫簡諧運(yùn)動的非定常流場數(shù)值模擬，對進(jìn)氣道冷流狀態(tài)下的類X－51動態(tài)穩(wěn)定性參數(shù)進(jìn)行數(shù)值辨識。

圖5 類X－51三維實體外形

圖6 進(jìn)氣道內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4.1 直接阻尼導(dǎo)數(shù)辨識

計算采用塊間完全對接的多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總量為460萬，共劃分為62塊。不同位置的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖7和圖8。計算條件為：馬赫數(shù)6.5，高度27km。俯仰／偏航／滾轉(zhuǎn)3個方向的強(qiáng)迫簡諧運(yùn)動的振幅均為1°，k＝0.1，無量綱時間步長Δt＝0.005。圖9給出了攻角為0°時的強(qiáng)迫俯仰振動一個周期內(nèi)不同時刻的壓力等值線，其中ti＝ts＋（i－1）Tc／4，i＝1，2，3，4。頭部斜激波、膨脹波以及尾翼激波在圖中清楚地反映出來，內(nèi)部流動已經(jīng)建立。同時可以看出強(qiáng)迫振動的振幅很小導(dǎo)致各時刻流場狀態(tài)差別不大。在攻角0°～6°范圍之間本文給出了3個方向強(qiáng)迫振動的力矩系數(shù)曲線，如圖10～圖12所示，圖中，Cmm，Cml，Cmn分別為俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航力矩系數(shù)。

圖7 對稱面網(wǎng)格與分區(qū)圖

圖8 舵面附近的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

圖9 一個周期內(nèi)不同時刻的壓力等值線

圖10 （a）、圖11（a）和圖12（a）分別給出了俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航運(yùn)動對應(yīng)力矩系數(shù)的遲滯環(huán)曲線。這是非定常運(yùn)動時物體上漩渦運(yùn)動和物面運(yùn)動之間存在的時間延遲現(xiàn)象在氣動力系數(shù)上的反映。遲滯環(huán)形狀飽滿，非定常滯后效應(yīng)比較明顯。在計算啟動后一個振蕩周期內(nèi)即進(jìn)入遲滯環(huán)，遲滯環(huán)重復(fù)性較好。不同攻角下的強(qiáng)迫振蕩遲滯環(huán)的轉(zhuǎn)動方式相互一致。從與3個遲滯環(huán)相對應(yīng)的時間歷程曲線圖10（b）、圖11（c）和圖12（d）可以看到，非定常氣動力矩收斂情況很好，從第2個周期開始已經(jīng)完全達(dá)到諧振。3個振動方向上的俯仰力矩系數(shù)、滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)、偏航力矩系數(shù)隨時間按正弦規(guī)律變化。

圖10 強(qiáng)迫俯仰振動力矩系數(shù)曲線

圖11 強(qiáng)迫滾轉(zhuǎn)振動力矩系數(shù)曲線

通過積分強(qiáng)迫簡諧振動的遲滯環(huán)曲線，表2給出了俯仰／偏航／滾轉(zhuǎn)3個方向的直接阻尼導(dǎo)數(shù)辨識結(jié)果。各方向下的直接阻尼導(dǎo)數(shù)均為負(fù)值，說明飛行器在俯仰／偏航／滾轉(zhuǎn)方向受到擾動后處于動穩(wěn)定狀態(tài)。俯仰阻尼導(dǎo)數(shù)和偏航阻尼導(dǎo)數(shù)量級一致，但滾轉(zhuǎn)阻尼導(dǎo)數(shù)要小1～2個量級。

圖12 強(qiáng)迫偏航振動力矩系數(shù)曲線

表2 直接阻尼導(dǎo)數(shù)辨識結(jié)果

4.2 交叉阻尼導(dǎo)數(shù)辨識

圖11（d）和圖12（c）的偏航和滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)隨時間變化能夠達(dá)到諧振，周期性變化明顯，說明滾轉(zhuǎn)方向和偏航方向的交叉性較強(qiáng)。但圖10（c）和圖11（b）中的力矩系數(shù)基本為一個常數(shù)，受周期性簡諧運(yùn)動的影響不大，說明俯仰方向和滾轉(zhuǎn)方向的交叉耦合性很弱。類似地，圖10（d）和圖12（b）顯示出俯仰方向和偏航方向的交叉耦合性同樣很弱。綜合上述規(guī)律，在本狀態(tài)下飛行器偏航與滾轉(zhuǎn)橫向之間的影響明顯，但縱橫向交叉耦合性不強(qiáng)，故本文對交叉導(dǎo)數(shù)開展了數(shù)值辨識工作，其結(jié)果列于表3。

表3 交叉阻尼導(dǎo)數(shù)辨識結(jié)果

從辨識結(jié)果來看，強(qiáng)迫滾轉(zhuǎn)運(yùn)動時滾轉(zhuǎn)阻尼導(dǎo)數(shù)在各計算狀態(tài)下均為負(fù)值，而滾轉(zhuǎn)－偏航力矩交叉導(dǎo)數(shù)均為正值，二者量級相差不大，說明飛行器在滾轉(zhuǎn)時是動穩(wěn)定的，但可能引起偏航方向的動不穩(wěn)定問題，需要控制系統(tǒng)對其姿態(tài)進(jìn)行控制。強(qiáng)迫偏航運(yùn)動與此類似，偏航阻尼導(dǎo)數(shù)在各計算狀態(tài)下均為負(fù)，而偏航－滾轉(zhuǎn)力矩交叉導(dǎo)數(shù)均為正，但其量級比偏航阻尼導(dǎo)數(shù)小2個量級。計算時涉及表面摩阻等復(fù)雜的計算問題，增加了計算難度，因此交叉導(dǎo)數(shù)的計算還需做深入研究。

4.3 強(qiáng)迫振蕩計算參數(shù)選取比較

強(qiáng)迫振動法辨識動態(tài)穩(wěn)定性參數(shù)的精度依賴于3個重要的計算參數(shù)：時間步長、子迭代步數(shù)、減縮頻率。時間步長和子迭代步數(shù)這2個參數(shù)的組合實際上決定了雙時間步方法計算非定常流動的收斂程度。頻率相似問題是影響強(qiáng)迫振動法辨識動導(dǎo)數(shù)精度的重要影響因素。本文選取了幾組不同的參數(shù)值，分別考察時間步長、子迭代步數(shù)、減縮頻率對包含內(nèi)流的高超聲速飛行器動導(dǎo)數(shù)辨識的影響。

減小時間步長、加大子迭代步數(shù)都可以提高非定常流動的收斂程度，從而提高動態(tài)穩(wěn)定性參數(shù)的辨識精度，但計算量也會大幅增加。因此有必要先進(jìn)行強(qiáng)迫振蕩的試算，確定保證準(zhǔn)確度的適宜計算時間步長和子迭代步數(shù)。本文無量綱時間步長Δt取0.005，子迭代步數(shù)n為5步，在保證計算精度的前提下有較好的計算效率。表4給出了更小的時間步長和更大的子迭代步數(shù)時的動導(dǎo)數(shù)辨識結(jié)果，可以看到計算結(jié)果基本一致。

表4 不同時間步長和子迭代步數(shù)下的動導(dǎo)數(shù)辨識結(jié)果

減縮頻率實際上是強(qiáng)迫振動頻率快慢的反映，其大小會影響動導(dǎo)數(shù)的量值乃至符號。減縮頻率的選取必須像馬赫數(shù)、攻角一樣考慮到與實驗的相似性。本文以強(qiáng)迫滾轉(zhuǎn)運(yùn)動為例，考察了不同減縮頻率對動導(dǎo)數(shù)辨識的影響。圖13顯示出遲滯環(huán)隨減縮頻率增加由內(nèi)而外形成嵌套。減縮頻率越小，遲滯環(huán)曲線越狹長，非定常滯后效應(yīng)越弱，動導(dǎo)數(shù)辨識難度高，非定常流場的計算量增大。但考慮到與實際情況的相似性，k不應(yīng)取得過大，否則影響計算精度。表5給出了不同k值的滾轉(zhuǎn)阻尼導(dǎo)數(shù)和滾轉(zhuǎn)－偏航交叉導(dǎo)數(shù)，可以看出減縮頻率對動導(dǎo)數(shù)辨識結(jié)果的影響，隨著k的增大，橫向之間的影響加強(qiáng)。

圖13 強(qiáng)迫滾轉(zhuǎn)振動不同減縮頻率下的遲滯環(huán)曲線

表5 不同減縮頻率下的動導(dǎo)數(shù)辨識結(jié)果

5 結(jié)論

本文基于三維非定常N－S方程，采用小振幅強(qiáng)迫簡諧分析法開展了高超聲速內(nèi)外流一體化飛行器動態(tài)氣動參數(shù)的計算研究。本文給出的動導(dǎo)數(shù)辨識技術(shù)不僅適用于傳統(tǒng)的以火箭發(fā)動機(jī)為動力的彈箭類飛行器，對包含內(nèi)流的吸氣式高超聲速飛行器適用性良好，各攻角下的非定常滯后效應(yīng)明顯，遲滯環(huán)重復(fù)性較強(qiáng)。辨識得到的高超聲速飛行器3個方向的直接阻尼導(dǎo)數(shù)均為負(fù)值。對橫側(cè)向動穩(wěn)定性、縱橫向耦合動穩(wěn)定性問題的分析顯示，其縱橫向耦合性不強(qiáng)，但橫向之間的交叉影響明顯，各交叉導(dǎo)數(shù)均為正值，但可能引起偏航／滾轉(zhuǎn)方向的動不穩(wěn)定問題，需要控制系統(tǒng)對其姿態(tài)進(jìn)行控制。

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