空间任务飞行器的空气动力学和热力学分析PDF电子书下载

第一章 高超声速空气动力学和热力学基本理论 1

1.1 引言 1

1.2 高超声速流动基本特点 2

1.2.1 强烈的弓形激波 3

1.2.2 温度／气动加热的重要性 3

1.2.3 钝化气动外形减少热传递 4

1.2.4 表面压强估计 4

1.2.5 高温效应 5

1.2.6 黏性干扰 6

1.2.7 熵梯度 6

1.2.8 薄激波层 7

1.2.9 发动机-机身一体化 8

1.2.10 控制与稳定性 8

1.3 轨道再入 9

1.4 连续流区飞行器周围典型高超声速流场特征 13

1.4.1 流动控制方程 18

1.4.2 M∞变化引起的流场特征 21

1.4.3 激波关系式 22

1.4.4 特征线法 25

1.4.5 高温效应 27

1.4.6 黏性干扰 38

1.5 航天器气动力系数 41

1.5.1 参考坐标系 41

1.5.2 气动热力学数据约定 48

1.6 简化气动分析 52

1.6.1 低阶空气动力学方法 52

1.6.2 牛顿撞击流理论 53

1.6.3 改进牛顿流理论 58

1.6.4 平板高超声速空气动力学 60

1.6.5 球体高超声速空气动力学 64

1.6.6 圆柱高超声速空气动力学 66

1.6.7 尖／钝锥体空气动力学 67

1.6.8 切楔／切锥法 68

1.6.9 平板理论和航天器高超声速空气动力学特征 71

1.6.10 面元法空气动力学 75

1.6.11 表面倾斜法和气动外形设计：压力法选择原理 81

1.7 高超声速与亚声速空气动力学 90

1.7.1 气动阻力 90

1.7.2 气动升力 90

1.7.3 俯视图特性 90

1.8 再入飞行和气动加热 92

1.8.1 脱体距离 94

1.8.2 气动加热 96

1.9 空间飞行器设计基础 100

1.10 量纲分析 102

参考文献 106

第二章 大气再入基本理论 108

2.1 前言 108

2.2 再入任务的初始比内能 109

2.3 平面飞行方程 110

2.3.1 弹道式再入 115

2.3.2 平衡滑翔式再入 119

2.3.3 跳跃式再入 121

2.3.4 横向机动 129

2.4 理想气体和化学反应流的传热 132

2.4.1 傅里叶定律及对流和扩散传热 133

2.4.2 理想气体流动的传热 134

2.4.3 表面摩擦系数和雷诺比拟 139

2.4.4 总再入热载荷 143

2.4.5 再入加热率 144

2.4.6 化学反应流动传热 148

2.4.7 薄膜系数方法 148

2.5 驻点加热 149

2.5.1 理想气体流动的驻点传热 153

2.5.2 化学反应气体的驻点传热 162

2.5.3 工程方法和驻点加热预估 171

2.6 自由分子加热 176

2.7 再入走廊 178

2.7.1 速度-飞行轨迹角度图 178

参考文献 181

第三章 再入飞行器设计的几点最初考虑 182

3.1 前言 182

3.2 高超声速构型演化综述 182

3.2.1 以超燃冲压发动机为动力的高超声速飞行器 188

3.3 再入飞行器设计理论综述 191

3.3.1 高超声速升阻比和飞行器弹道系数 198

3.3.2 弹道系数、飞行器体积因子和细度比 199

3.3.3 高超声速飞行器修正升阻比和飞行器容积率 202

3.4 高压阻构型飞行器 205

3.5 弹道再入飞行器设计 211

3.5.1 减速伞锥角 212

3.5.2 减速伞底部面积 212

3.5.3 减速伞鼻尖半径 213

3.5.4 减速伞角半径 215

3.5.5 钝头体动态不稳定性 218

3.6 升力再入飞行器设计 229

3.6.1 低轨道返回设计研究案例 233

3.6.2 彗星的高速返回器设计研究案例 233

3.7 再入飞行器机动系统 239

3.7.1 机动空气动力学 240

3.7.2 控制系统特性 240

3.8 纵向和侧向飞行的飞行器稳定性 241

3.8.1 纵向飞行的静稳定性 241

3.8.2 CG位置改变对稳定性的影响 244

3.8.3 高超声速飞行稳定性和控制问题 245

3.8.4 侧向飞行的静稳定性 248

3.8.5 垂尾设计 249

3.8.6 高超声速方向稳定性问题 251

3.9 滑翔再入飞行器设计案例 253

3.10 匙形构型 264

3.10.1 乘波体构型设计介绍：逆向设计方法 268

3.10.2 吻切锥乘波体 269

3.10.3 基于楔形和锥形的乘波体 270

3.11 飞行器气动加热和表面温度 272

3.11.1 对流传热和Eckert参考温度法 276

3.11.2 参考温度方法和平板气动加热 282

3.11.3 热防护技术 283

3.12 计算流体力学在设计过程中的贡献 284

3.12.1 流动物理 286

3.13 气动加热区域和飞行器设计 294

3.13.1 流动区域 294

3.13.2 热化学流动区域 310

参考文献 312

第四章 阿波罗构型返回舱分析 314

4.1 前言 314

4.2 LEO再入方案的流动和化学耦合综述 316

4.3 防热瓦表面催化效应 318

4.4 阿波罗型返回舱概念和LEO再入飞行方案 322

4.4.1 飞行器概念综述 322

4.4.2 设计方法和使用工具介绍 324

4.5 数学方程和数值方法 329

4.5.1 流动控制方程 329

4.5.2 数值技术 334

4.5.3 计算网格域 334

4.6 模型验证 336

4.6.1 测试算例构型和计算域 336

4.6.2 测试条件和工程分析 336

4.6.3 CFD结果 338

4.7 CRV设计分析 340

4.7.1 再入飞行方案 340

4.7.2 气动加热载荷环境的评估 342

4.7.3 CRV计算流场分析 346

4.8 CRV气动分析 360

4.8.1 CRV气动工程评估 361

4.8.2 CRV气动数值评估 368

4.9 CRV气动热特性 376

4.9.1 CRV零升气动热 377

4.9.2 CRV AoA气动热 379

4.9.3 CRV高空气动热 382

4.10 数值研究的可靠性分析 383

参考文献 391

第五章 升力体飞行器 394

5.1 前言 394

5.2 历史背景 395

5.3 IXV折中目标和逻辑线路 407

5.3.1 返回舱类型 414

5.3.2 翼身融合体类型 414

5.3.3 升力体类型 415

5.4 IXV飞行器描述和构型基本原理 415

5.5 IXV顶层设计 418

5.6 IXV计划背景 419

5.7 IXV任务需求及描述 421

5.7.1 任务 423

5.7.2 系统 423

5.7.3 TPS和热结构 423

5.7.4 可靠性 424

5.7.5 ATD 424

5.7.6 TPS＆HS的新材料和概念 425

5.7.7 HMS 425

5.7.8 GNC 425

5.8 IXV标准弹道的WTT和CFD数据对比 425

5.9 WTT计划的结果 429

5.9.1 ONERA S4ma测试中的亮点 430

5.9.2 DLR H2K测试中的亮点 431

5.9.3 DNW-SST测试中的亮点 432

5.9.4 FOI T1500测试中的亮点 438

5.9.5 IXV和HEG风洞 446

5.10 CFD分析的结果 447

5.11 气动分析 467

5.11.1 气动数据库的一般输入 467

5.11.2 参考坐标系和气动符号约定 467

5.11.3 IXV气动模型和数据库发展 468

5.11.4 气动数据库方程 470

5.11.5 气动数据库发展 472

5.11.6 自由分子和转捩流动区域 473

5.11.7 连续流动区域 476

5.11.8 升降舵对纵向系数的效应 483

5.11.9 侧滑角对纵向和横向运动的影响 490

5.11.10 副翼对横向运动的影响 492

5.11.11 气动数据库的准确性 493

参考文献 498

第六章 有翼再入飞行器 500

6.1 前言 500

6.2 飞行器描述 506

6.3 飞行方案和流动区域评估 507

6.3.1 稀薄-转捩区域 509

6.3.2 黏性干扰区域 510

6.3.3 真实气体区域 511

6.3.4 层流向湍流的转捩 513

6.4 设计方法和使用工具 515

6.5 气动特征 522

6.5.1 ORV气动参考参数 523

6.5.2 参考坐标系和气动符号约定 524

6.5.3 ORV气动数据库的输入 525

6.5.4 ORV气动模型 526

6.5.5 气动数据库方程 527

6.5.6 气动数据库的发展进程 529

6.6 气动结果的低阶方法 531

6.6.1 稀薄和转捩流动条件下的HPM解 531

6.6.2 连续流条件下的HPM解 535

6.7 基于CFD的气动结果 545

6.8 FTB-X概念飞行器的空气动力学和热力学评估 562

6.8.1 飞行器构型 562

6.8.2 分析方法和使用工具 565

6.8.3 飞行器气动评估 566

6.8.4 稀薄和转捩流动条件下的FTB-X空气动力学 566

6.8.5 连续流条件下的FTB-X空气动力学 572

6.8.6 飞行器气动热环境 587

6.8.7 FTB-X再入飞行力学性能和稀薄气体效应 598

6.9 气动数据的不确定性 601

6.9.1 气动数据库不确定性公式 601

6.9.2 气动数据库不确定性和WTT测试 603

6.9.3 气动数据库不确定性和CFD数据 604

6.9.4 气动数据库不确定性和飞行数据 604

6.9.5 轨道飞行器和X -33气动不确定性 605

6.9.6 FTB-X气动不确定性模型 610

参考文献 612

第七章 试样返回舱分析 615

7.1 前言 615

7.2 试样返回航天器的设计过程 617

7.2.1 需求和限制 618

7.2.2 相似性和模型缩放 618

7.2.3 SRV设计分析综述 627

7.2.4 激波层条件 631

7.3 航天器参考构型和再入飞行方案 633

7.4 空气动力学和热力学性能分析 636

7.4.1 流动控制方程 637

7.4.2 载荷方案和空气混合物成分 640

7.4.3 飞行区域概述和流动仿真模型 645

7.4.4 计算域、边界条件和求解收敛准则 647

7.5 数值结果 651

7.6 SRV空气动力学 665

7.6.1 SRV的基于工程估算气动结果 666

7.6.2 SRV的基于CFD气动结果 668

参考文献 670

第八章 运载火箭：现状与未来 672

8.1 前言 672

8.2 运载火箭的气动分析 672

8.2.1 运载火箭的气动约定 672

8.2.2 气动系数和飞行器设计 674

8.2.3 运载火箭的气动分析 677

8.2.4 外载荷特征的快速设计方法 679

8.3 运载火箭快速气动设计分析实例 680

8.3.1 VSB-30运载火箭 680

8.3.2 Vega运载火箭 682

8.3.3 下一代运载火箭飞行器（NGLV） 684

8.3.4 未来运载火箭预备计划方案 691

8.4 阶段前期：数据库不确定性 724

8.4.1 物理模型的CFD水平和程序检验引起的不确定性 724

8.4.2 早期运载火箭的代表构型引起的不确定性 725

8.4.3 有限计算点引起的不确定性 726

8.5 发展阶段：精确CFD的挑战 726

8.6 发展阶段的NS方程算例 727

8.6.1 Ariane5液态反馈助推器气动设计 727

8.6.2 风洞测试的Ariane5几何模型 738

8.6.3 CFD技术在Vega运载火箭气动评估中的贡献 741

8.7 发展阶段：数据库的不确定性 752

8.7.1 突出物和级间凹腔的局部载荷 754

8.8 数值解和网格收敛性分析 756

参考文献 758

附录A 飞向火星的载人航天计划 762

A.1 引言 762

A.2 往返火星的旅程 762

A.3 飞行器构型选择 764

A.4 方法分析和使用工具 766

A.4.1 基于工程估算的设计分析 767

A.4.2 基于CFD的设计分析 768

A.5 气动分析 771

参考文献 779