高超声速飞行器气动热力学设计问题精选PDF电子书下载

第1章 引言 1

1.1 高超声速飞行器的三种参考类型 2

1.2 气动热力学及飞行器的参数定义和发展 3

1.2.1 相对于数据不确定度的设计灵敏度和裕度 4

1.2.2 气动热力学模拟手段的不足 5

1.3 本书的范围和内容 7

参考文献 8

第2章 飞行轨道简述 11

2.1 有翼和无翼再入飞行器的飞行轨道 12

2.1.1 概述 12

2.1.2 制导目标、轨道控制变量及系统与运行约束 15

2.1.3 作用在再入飞行器上的力 20

2.1.4 平衡滑翔轨道 22

2.1.5 平衡滑翔轨道：定性结果 25

2.1.6 实例研究1：RV-NW飞行器的轨道 30

2.1.7 实例研究2：RV-W（X-38）飞行器的轨道 33

2.2 巡航和加速飞行器的飞行轨道 37

2.2.1 概述 37

2.2.2 制导目标、轨道控制变量及系统与运行约束 38

2.2.3 作用于巡航和加速飞行器上的力 40

2.2.4 实例研究3：CAV（S？NGER）的轨道 42

2.3 行星飞行一般方程 45

2.4 习题 51

参考文献 52

第3章 有翼再入飞行器气动热力学设计问题 56

3.1 有翼再入飞行器气动热力学问题概述 56

3.1.1 气动热力学现象 56

3.1.2 主要模拟问题：高马赫数与总焓效应 60

3.2 有翼再入飞行器气动热力学问题的特殊趋势 61

3.2.1 驻点压力 61

3.2.2 迎风面速度场的拓扑结构 64

3.2.3 升力产生 68

3.2.4 底部压力与阻力 69

3.3 有翼再入飞行器的气动性能数据 70

3.3.1 航天飞机轨道器 71

3.3.2 “赫尔姆斯”（HERMES）航天飞机构型 73

3.3.3 HOPE-X航天飞机构型 76

3.3.4 X-34构型 79

3.3.5 X-38构型 81

3.3.6 HOPPER/PHOENIX构型 84

3.3.7 小结 88

3.4 飞行器的可飞性和可控性 89

3.4.1 概述 89

3.4.2 有翼再入飞行器配平与稳定性 90

3.5 航天飞机轨道器高超声速俯仰力矩异常 93

3.5.1 配平情形与俯仰力矩异常的可能原因 94

3.5.2 轨道器迎风面上的压力系数分布 95

3.5.3 压心前移 101

3.6 基于Oswatitsch马赫数无关原则的高超声速俯仰力矩异常 103

3.6.1 概述 103

3.6.2 壁面压力系数分布 105

3.6.3 飞行马赫数与高温真实气体效应的简单分析 110

3.6.4 俯仰力矩异常再考虑与结果综述 113

3.6.5 结束语 114

3.7 习题 115

参考文献 117

第4章 有翼吸气式飞行器的气动热力学设计问题 123

4.1 巡航和加速飞行器的气动热力学问题概述 124

4.1.1 气动热力学现象 124

4.1.2 主要模拟问题：粘性效应 131

4.2 CAV/ARV气动热力学的特殊趋势 134

4.2.1 驻点压力 134

4.2.2 前体迎风侧速度场的拓扑结构 135

4.2.3 升力产生 135

4.2.4 底部压力和阻力 135

4.2.5 气动力性能 137

4.3 实例：“桑格尔”参考方案的飞行参数和空气动力系数 138

4.4 基本布局考虑：高度耦合的升力和推进系统 146

4.4.1 几种飞行器外形的考虑 146

4.4.2 气动热和推进系统力的计算 148

4.5 气动热机体／推进一体化问题 157

4.5.1 前体效应 157

4.5.2 平面与圆锥前体下侧比较 158

4.5.3 前体预压缩的基本原理 160

4.5.4 净推力对预压缩的敏感性 163

4.5.5 进气道斜板流 166

4.6 乘波体构型 170

4.6.1 概述 170

4.6.2 设计方法 171

4.6.3 乘波体设计实例 176

4.6.4 粘性效应对气动性能的影响 180

4.6.5 非设计和低速性能 182

4.6.6 静稳定性考虑 188

4.6.7 乘波体——实用的飞行器？ 189

4.7 习题 192

参考文献 194

第5章 无翼再入飞行器的气动热力学设计问题 200

5.1 概述与进入方案 201

5.1.1 空气动力制动 202

5.1.2 空气动力捕获 203

5.1.3 弹道飞行—弹道系数 203

5.2 总体布局 205

5.2.1 弹道式探测器 205

5.2.2 升力式返回舱 207

5.2.3 双锥体 211

5.3 RV-NW的配平条件和静稳定性 213

5.3.1 帕克（Park）公式 213

5.3.2 升力式返回舱的性能数据 214

5.3.3 飞行控制与质心的作用 219

5.3.4 气动特性对外形变化的敏感性 220

5.3.5 寄生配平 224

5.3.6 双锥体的性能数据 225

5.3.7 高温真实气体效应对力和力矩的影响 230

5.4 动稳定性 232

5.4.1 动不稳定性的物理概念 233

5.4.2 角运动方程 236

5.4.3 试验方法 240

5.4.4 数值方法 244

5.4.5 典型试验结果 245

5.5 热载荷 249

5.5.1 OREX亚轨道飞行 249

5.5.2 ARD亚轨道飞行 251

5.5.3 “阿波罗”近地轨道（LEO）飞行和探月返回飞行 253

5.5.4 VIKING类外形的技术研究 254

5.6 习题 260

参考文献 261

第6章 稳定、配平和控制装置 266

6.1 控制面气动热力学问题概述 266

6.1.1 襟翼效率：来流流场的影响 267

6.1.2 高超声速飞行过程中的襟翼偏转模式 268

6.2 气动配平和控制面的来流 269

6.2.1 来流总特性 269

6.2.2 来流熵层 274

6.2.3 来流边界层 278

6.3 斜面流的渐近特性研究 283

6.3.1 斜面流的基本类型 283

6.3.2 壁面压力特性 286

6.3.3 表面热状态特性 296

6.3.4 壁面剪切应力特性 307

6.4 铰链线缝隙流问题 308

6.5 反作用控制系统的气动热力学问题 312

6.6 布局研究 319

6.6.1 稳定、配平和控制装置实例 319

6.6.2 几何外形研究 321

6.6.3 襟翼的长度与宽度 323

6.6.4 稳定和控制面的容积 324

6.7 结束语 328

6.7.1 结果总结 329

6.7.2 模拟问题 331

6.8 习题 332

参考文献 333

第7章 力、力矩、压心、配平和稳定性一般公式 339

7.1 力矩方程 339

7.2 压心的一般公式 342

7.3 钝头体静稳定性考虑 345

7.4 细长体静稳定性考虑 346

7.5 静稳定性进一步考虑 348

7.6 气动力系数的坐标变换 349

7.7 习题 351

参考文献 352

第8章 多学科设计 353

8.1 多学科设计工作目的简要回顾及介绍 355

8.2 流动—结构相互作用控制方程 358

8.2.1 流体动力学方程 358

8.2.2 结构动力学方程 360

8.2.3 传热方程 363

8.3 耦合过程 364

8.3.1 流体力学—结构耦合气动弹性方法一 365

8.3.2 流体力学—结构耦合气动弹性方法二 365

8.3.3 热—流体力学—结构耦合 367

8.4 耦合求解实例 370

8.4.1 流体力学—结构耦合气动弹性方法一 370

8.4.2 流体力学—结构耦合气动弹性方法二 371

8.4.3 热—流体—结构耦合 376

8.4.4 热—力—流体—结构耦合 384

8.5 结论 387

8.6 习题 388

参考文献 389

第9章 高超声速飞行器表面热状态 394

9.1 飞行器表面传热 395

9.2 飞行器表面热状态 397

9.3 气动热模拟概述 399

9.3.1 地面设备模拟 399

9.3.2 数值模拟 401

9.3.3 飞行试验模拟 402

参考文献 403

第10章 气动热力学参数确认的γeff方法及近似关系式 405

10.1 RHPM+平板飞行器理论：γeff方法及弓形激波总压损失 405

10.1.1 概述 405

10.1.2 γeff方法：总体考虑 406

10.1.3 正激波 407

10.1.4 斜激波 410

10.1.5 弓形激波总压损失：一维表面流参数的恢复 413

10.1.6 压缩因子Z 414

10.1.7 应用γeff方法获得马赫数M1趋于无限大极限状态时激波前后的结果 415

10.2 输运特性 417

10.3 驻点热流公式 418

10.4 基于参考温度／焓方法的平板表面边界层参数 421

10.4.1 参考温度／焓概念 421

10.4.2 平板表面边界层厚度 423

10.4.3 平板表面的壁面剪切应力和热状态 424

10.4.4 交接处边界层的虚拟原点 425

参考文献 426

第11章 习题参考答案及解题指南 429

11.1 第2章的习题 429

11.2 第3章的习题 430

11.3 第4章的习题 433

11.4 第5章的习题 435

11.5 第6章的习题 438

11.6 第7章的习题 440

11.7 第8章的习题 441

参考文献 442

附录A 气动热力学控制方程 443

A.1 化学非平衡流的控制方程 443

A.2 分子振动激励和电子模态的方程 449

A.2.1 分子振动激励 449

A.2.2 电子模态 450

A.3 包括热非平衡状态的N-S方程的矢量表达式 451

参考文献 453

附录B 地球大气 455

参考文献 461

附录C 常数、单位和换算 462

C.1 常数和空气特性 462

C.2 单位和换算 463

参考文献 465

附录D 符号 466

D.1 拉丁字母 466

D.2 希腊字母 472

D.3 上下标记 475

D.3.1 上标 475

D.3.2 下标 475

D.4 其他符号 478

附录E 术语、缩略语和缩写 479

E.1 术语 479

E.2 缩略语、缩写 481

许可 483