光学窗口气动加热与结构耦合分析
高超声速飞行器气动热辐射特性
Aero鄄thermo鄄radiation of a hypersonic vehicle
Wang Yahui1,2, Wang Qiang1, Gao Lei2, Xiao Liping2, Xu Li2
(1. School of Energy and Power Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China 2. Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China)
1.2 气动加热分析 飞行器在大气层内高速飞行袁 高速来流在头部
顶端滞止产生高温袁 并对光学窗口产生复杂的气动 加热袁文中采用 N-S 方程和标准 k- 湍流模型描述 流动换热过程 遥 [5-6] 1.3 高温气体和光学窗口的热辐射
高温气体和光学窗口的热辐射均是典型的介质
内热辐射传输问题袁 辐射传递方程准确描述了辐射 能量在介质中传递的发射尧吸收尧散射和穿透的相互 关系袁表现为视线方向上的 能量 平 衡[7-9]袁 忽 略高温 流场和光学窗口的散射因素以及窗口对内部环境的 散射因素袁积分形式辐射传递方程表示为院
在 t=10 -4 s 内袁 前 端的 高温 绕 流流 场就 达 到 稳 定袁 而光学窗口的温度保持与电子舱内部环境温度 一致袁热辐射较弱袁此时气动热辐射体现为高温气体 流场的热辐射袁对比图 4~6 中 t=0 时刻的曲线可得袁 飞行速度越高袁气体热辐射越强袁且随视线角 增加 而单调下降遥 随时间的发展袁光学窗口受气动加热而 温度迅速上升袁而高温绕流流场状态不变袁相对初始 状态 t=0 时刻的气动热辐射上升幅度体现了光学窗 口的热辐射袁 显然窗口的热辐射逐渐成为气动热辐 射的主要因素遥
高速飞行器气动热结构耦合分析及优化设计
高速飞行器气动热结构耦合分析及优化设计
李昱霖;刘莉;龙腾;朱华光
【期刊名称】《弹箭与制导学报》
【年(卷),期】2014(034)005
【摘要】气动、热和结构三学科之间的耦合关系是高速飞行器面临的核心问题之一.文中利用强弱耦合关系简化了气动热结构耦合问题,并基于气动加热、瞬态热传导、热结构、热模态和热颤振的单向耦合关系来分析热弹性问题,建立了气动热结构多学科集成分析平台.针对各子学科耗时问题,文中采用了增广的自适应响应面优化策略完成了气动热结构多学科设计优化,在提高了颤振速度的同时,使升力面结构质量有了一定的降低.
【总页数】6页(P138-143)
【作者】李昱霖;刘莉;龙腾;朱华光
【作者单位】北京理工大学宇航学院,北京100081;北京理工大学宇航学院,北京100081;北京理工大学宇航学院,北京100081;北京宇航系统工程研究所,北京100076
【正文语种】中文
【中图分类】V224
【相关文献】
1.高速飞行器结构气动热计算与温度场模拟 [J], 王志超;张龙;姚琳
2.基于MSC/NASTRAN的高速飞行器气动热与结构响应耦合分析程序开发 [J],
杨志斌;蒋军亮;任青梅
3.舵翼结构模型气动热力耦合关系仿真研究 [J], 张佳明;王文瑞;马新杰;温晓东
4.舵翼结构气动热力耦合数值模拟与实验研究 [J], 张佳明;王文瑞;武宏宇;温晓东
5.高速飞行器结构与气流耦合振动特性研究 [J], 张善智;闫云聚;崔盼礼
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
飞机设计中气动和结构优化的耦合研究
飞机设计中气动和结构优化的耦合研究随着现代航空技术的不断发展，越来越多的飞机设计方案出现在人们的视野中，而对于设计师们来说，如何将气动和结构优化耦合在一起，实现更高效、更可靠的飞行，成为了他们所面临的一个重要问题。
一、气动和结构优化的基本原理在设计飞机时，优化气动与结构的相互作用至关重要。
气动效应指的是空气对飞机表面和结构的影响。
而结构效应则是指对飞机结构的设计进行优化，以满足其所承受的载荷和使用条件。
气动和结构优化的目的是要获得获得最优的设计，使得飞机的飞行性能、受力性能、结构刚度、减排和安全性都达到最优。
具体表现在以下几个方面：1. 飞机的气动力学特性气动设计要保证飞机的升力和推力比，防止飞机在空中失速、过载或者建造不稳定，还要保证机翼经受住各种飞行角度的挑战，以及在各种气候条件下严寒、高温、湿度等的变化。
2. 飞机的结构设计结构设计要考虑到飞行的载荷、安全性与舒适度，也需要结合气动设计来实现飞机的稳定性与耐久性。
同时还要考虑到飞机的经济性，优化飞机的重量与结构强度，以提高燃油效率，减少碳排放，降低成本。
3. 环境及使用条件为了应对各种环境和使用条件，飞机的设计必须考虑到空气湿度、温度、气压及其变化所造成的影响，还要考虑到飞行高度、大气摩擦力等因素。
二、气动和结构优化的耦合研究针对上述需要考虑的因素，造成了设计师在设计飞机时的复杂任务，要完成设计任务就必须开展气动和结构耦合研究。
1. 模型的建立首先需要在计算机上构建飞机的模型，根据飞机的外形、尺寸、材料及加工工艺对模型进行完善。
模型中还需要建立气动参数的计算模型，根据计算结果对结构进行优化。
2. 气动分析气体动力分析涉及到飞机的气动设计，通常采用CFD技术（计算流体力学技术）。
使用CFD分析来优化空气流动和流场特性，以及一些表面的气动特性。
这种技术可供给的重要参数包括面积散点、气动受力和阻力等。
同时还要考虑到负载分布，阻力和飞行速度等因素。
推力室气动加热及结构传热耦合分析
导 弹 与 航 天 运 载 技 术 2012年10h f ≥2.10 m/s 2λ，<1，飞行器向上弹跳运动，使加速度发生跳转开始由小逐渐变大；飞行器向下运动，h f 由大逐渐变小，当运动到高度H =60 km 时为弹跳瞬间，必须使h f ≥2.11 m/s 2λ，<1，飞行器向上弹跳运动，使加速度发生跳转开始由小逐渐变大。
并且3条曲线基于相同的初始速度，但碰撞大气层瞬间产生的动量增量不同，高度越高，P 越小，h f 也越小，加速度曲线弹跳周期的时间越长。
4 结 论乘波体飞行器是突破高超声速飞行的有效方法，也是人类征服临近空间的有效手段。
将临近空间乘波体飞行器弹跳飞行轨迹列为非开普勒轨道的研究范畴，尝试从另一个角度认识和理解该飞行器，对于临近空间乘波体飞行器与航天器开普勒轨道的研究都有重要意义。
本文着重讨论了临近空间乘波体飞行器非开普勒轨道弹跳飞行和弹跳瞬间的特性，并利用非开普勒动力学方程与文献[9]中的HTV-2运动方程曲线进行了仿真对比，验证了非开普勒轨道动力学模型的准确性，仿真结果证明了该方法的可行性。
参 考 文 献[1] Kossira H, Bardenha G A, Heize W. Investigations on the potential ofhypersonic waveriders with the integrated aircraft design program PRDO-HY[C]. Munich: AIAA/DGLR 5th International Aerospace Planes and Hypersonic Technologies Conference, 1993.[2] 刘美霞. 跳跃的死神——美国“猎鹰”空天轰炸机计划情报[J]. 国际展望, 2007, 4(558): 46-51.[3] McClinton C R, Rausch V L, Shaw R J, et al. Hyper-X: Foundation forfuture hypersonic launch vehicles[J]. Acta Astronautica, 2005, 57: 614-622.[4] Davis M C, White J T. X-43A flight-test-determined aerodynamic forceand moment characteristics at Mach 7.0[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2008, 45(3): 472-484.[5] 肖业伦. 航空航天器运动的建模[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社,2003.[6] 陈记争, 袁建平, 方群. 航天器在推力作用下非开普勒运动的动力学建模[C]. 空间非开普勒轨道动力学与控制专题研讨会, 2008.[7] Kaplan G H. A navigation solution involving changes tocourse andspeed[J]. Navigation, 1996, 43: 469-482.[8] Speyer J L ，Dannemiller D ，Walker D ．Pe-riodic optimal cruise of anatmospheric vehicle[J]. Journal of Guidance, 1985(8): 31-38．[9] Walker S H, Sherk L J, Shell D, et al. The DARPA/AF Falcon program:The hypersonic technology vehicle#2 (HTV-2) flight demonstration phase[R]. AIAA 2008-2539, 2008.美国成功开展标准3 1B 拦截弹飞行试验2012年5月9日，美国导弹防御局成功开展宙斯盾导弹防御系统（BMD ）标准3 1B 拦截弹飞行试验，此次试验是继2011年9月首飞失败后的首次成功。
13超高声速飞行器光学窗口气动光学效应分析
第36卷第4期2010年7月 光学技术OP TICAL T ECH NIQUEVol.36No.4July 2010文章编号:100221582(2010)0420622205超高声速飞行器光学窗口气动光学效应分析*韩炜1,赵跃进1,胡新奇1,张琳琳1,任芸2(1.北京理工大学光电学院,北京100081)(2.中国科学技术馆,北京100012)摘 要:超高声速飞行器在大气中飞行时,由于气动热和气动力的作用,光学窗口会产生严重的气动光学效应,使目标图像发生像偏移、抖动、模糊和能量衰减。
利用有限元分析方法对光学窗口的热光效应、弹光效应和窗口热变形进行研究,计算了由热光学效应、光学窗口热变形引起的点扩散函数峰值大小及峰值位置(像偏移)随时间的变化趋势。
根据对温度场的分布分析,计算了温度梯度对透过率的影响以及透过率与窗口热辐射随时间变化的趋势,可为光学窗口的设计、材料的选择及后期的图像处理提供依据。
关键词:气动光学效应;光学窗口;热辐射;透过率中图分类号:TJ760 文献标识码:AStudy on aero 2optical effects of hypersonic vehicle .s optical windowHA N We i 1,ZHA O Yue 2jin 1,HU X in 2qi 1,ZHA NG Lin 2lin 1,REN Yun 2(1.School of Optoelectronics,Beijing Instit ute of Technology,Beijing 100081,China)(2.China Science and Technology M useum,Beijing 100012,China)Abstra ct:The ser ious aer o 2optical effects can be generated by the aer odynamic heating and aer odynamic effect when a hypersonic vehicle is flying in t he air,which makes the tar get image depa rture,flutter,fuzzy and energy .s attenuation.The thermo 2optic effect ,the elasto 2opt ical effect and the thermal deformation of the optica l window are studied by finite element analysis met hod.The time var iation of peak and peak location of the point spr ead function is analysed.The trans 2missivity that is affected by the temperature gr adient and the t ime variat ion of the the window .s thermal r adiation are studied according to the temper ature distribution.T he st udies provide the basis for the optical window design,material selection and the later image processing.Key wor ds:aero 2optical effects;opt ical window;thermal radiation;transmissivity0 引 言超高声速飞行器在大气中高速飞行时,在气动热、激波辐射与内外表面压差的共同作用下,飞行器的光学窗口温度急剧升高,在窗口内部形成温度梯度,使光学窗口产生变形和热应力,引起严重的气动光学效应[1],致使高速飞行器探测系统的目标图像发生像模糊、像抖动、像偏移和能量衰减。
一种密闭腔体的加热设计与分析
一种密闭腔体的加热设计与分析王波;董广坤【摘要】Some optical systems make use of large aperture plastic lenses. To ensure their optical parameters remain stable under low temperature, it's necessary to heat these lenses' working environment. This article designs a closedcham-ber based on theory of heat transfer. This closed cavity contains heating component and temperature control component.Ac-cording the heating demand, structure design of this cavity is completed. At the same time analysis and calculation of the cavity's heating is finished. Heating experiment is carried out based on the designed closed cavity. The experimental results are analyzed.It shows,the mathematical model can reflect the heating process of the cavity. And analyzing the experimental result proves that the design of this closed cavity can meet the working environment requirement of this kind of lenses.%一些光学系统使用了大口径塑料材料的透镜.为了保证低温下其光学指标稳定,需要对该类透镜的工作环境进行加热.本文根据传热原理设计了一种密闭腔体,该密闭腔体内部具有加热元件及温度控制元件.本文根据加热需求,对该腔体进行结构设计,同时根据传热原理建立了该密闭腔体加热的数学模型,基于设计出的密闭腔体进行了加热试验,并对试验结果进行分析.试验结果表明,建立的加热数学模型能较好反映出该腔体的加热过程,设计的密闭腔体能实现所需的加热功能,可满足塑料透镜的工作环境要求.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2017(039)009【总页数】5页(P169-173)【关键词】密闭腔体;塑料透镜;加热设计;加热分析与计算【作者】王波;董广坤【作者单位】华中光电技术研究所武汉光电国家实验室,湖北武汉 430223;华中光电技术研究所武汉光电国家实验室,湖北武汉 430223【正文语种】中文【中图分类】TN713在一些光学系统中使用了大口径透镜，为了减轻重量，部分光学系统的透镜选用了塑料材料，如PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）。
红外窗口不同冷却方式下的结构传热和热应力特性计算研究
冷方 面 ， 文献 ［ ， ］ １ ２ 计算 了带 再 生冷 却 系统 的二维 圆 管 问题 ， 传热温 度分 布 和结 构 热 应力 进 行 了分 析 ， 对 冷却 管流采 用 的是 一维管 流传热模 型方 程 ； 献 ［０ 文 １］
则对 六缸 柴油机冷 却通道 湍流换 热进行 了计算 ， 考虑 了管道 内部流动 的三 维 效应 。 由 于红外 窗 口材料 众 多 、 构复杂 ， 结 受热 时 的热应 力也 不 可 忽视 ， 献 ［ ］ 文 ５
模拟 ， 而内 冷 管 流传 热 则 采 用 一 维 对 流扩 散 方 程 描 述 ， 口结构
飞行器和 弹道 ， 探讨 合适 的冷却方 式并进行 比较 十分
重要 。
对于该类 问题 ， 文献 ［ ］ ３ 采用 大 涡模 拟技 术 对 减
小外 冷式 窗 口气 动 光 学 失 真 问题 进 行 了研 究 ； 献 文 ［］ ４ 对发展 内冷 式 红外 窗 口的可行 性 进行 了分 析 ； 文
中 图分 类 号 ： １ ． Ｖ２ １３ 文 献标 识 码 ：Ａ
Ｏ 引 言
红外 窗 口是红 外 自动寻 的 导 弹等 高超 声速 飞 行 器 的重要部件 ， 行期 间要 经受 较严 重 的气动 加 热 ， 飞
寻 的 器 窗 口非 常 炽 热 导 致 寻 的 性 能 下 降 ， 此 采 用 某 因 种 形 式 的 冷 却 很 有 必 要 。 一 般 有 内 冷 和 外 冷 两 种 冷
进行 了分 析 ， 对两 种 冷 却方 式 的特 点 进 行 了对 比 ， 得
出 了有 用 的结 论 。
・ 收稿 日期 ： ０７０ ．４ 修 订 日期 ：２０ ．５１ ． ２０．３１； ０７０．６ 作者 简 介 ： 湘 人 （９４）男 ， 耿 １６． ， 湖南 醴 陵 人 ， 工学 博 士 ， 究员 ， 研 主要 从 事 高超 气 动 热 及其 热 防 护 的计 算 研 究
超声速自由旋涡气动窗口的气动光学特性计算与分析
摘 要 ： 者 讨 论 了 超 声 速 自 由旋 涡 气 动 窗 口 的 气 动 结 构 ， 设 计 的 超 声 速 自 由 旋 涡 气 动 窗 口 笔 对
射 流 流 场 及 超 声 速 自 由 旋 涡 气 动 窗 口 的 光 学 性 能 进 行 了 分 析 研 究 。研 究 了 自 由 涡 射 流 对 透
对 自由旋 涡 气 动 窗 口的 透镜 效 应 进 行 了研 究 。 数 值 模 拟 方 法 对 光 线 在 自由旋 涡 流场 的 用
－
收 稿 日期 ： ０ ０ １ ．６ ２ ０ － ２０
基 金 项 目 ： 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目（０ ８０ ５ ， 防 预 研 基 金 项 目 资 助 项 目 （００ １ ） 国 １０２ ０ ） 国 ２０ Ｊ３ 作 者 简 介 ： 仕 和 ０９ ５ ） 易 ６ ． ，男 ， 南 湘 阴 人 ， 防 科 技 大 学 航 天 与 材 料 工 程 学 院 副 教 授 ． 湖 国
ｐ ｒｏ ｍａ ｅ ｒ ｎ ｅ ｔ ａ ｅ ｅｆ ｒ ｎｃ ｓａ ｅ ｉ ｖ ｓｉ ｔ ｄ．Ｔｈ ｅｏ ｙ ｍｉ ｅ ｓ ｅ ｔｏ ａ ｅ ａ ｔ ｒ ｕ ｈ ａ ｒ ｄ ｎ ｍ ｃ ｗ ｎ— ｇ ｅ ａ ｒ ｄ ｎａ ｃ ｌｎ ｆ ｃ ｆｌｓ ｒｂｅ ｍ ｈ ｏ ｇ ｅ ｙａ ｏ ｉ ｉ
Ａｂｓｒ ｃ ． Ｉ ｈ ｓ ｒｉｌ ｈ ａ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ｏ ｓｒ ｃｉ ｎ ｏ ｕ ｒｏ ｉ ｒ ｅ ｖ ｒｅ ｅ ｄ ｎ ｍｉ ｗｉ ． ｔ ａ ｔ ｎ ｔ ｉ ａ ｔｃｅ ｔ ｅ ｅ ｏ ｙ ａ ｃ ｃ ｎ ｔ ｔｏ ｆ ｓ ｐｅｓ ｎ ｃ ｆｅ ・ ｏ ｔｘ ａ ｒ ｙ ａ ｃ ｕ － ｏ ｎ－