高超声速转捩边界层气动加热机理研究

新一代信息技术

高超音速飞行器是本世纪正在研发的前沿科技新项目，它又被称作“近空间高超音速飞行器（NSHV）”。从科技的角度分析，高超音速飞行器同时融合了航天和航空的诸多前沿技术，这些前沿技术与传统飞行器技术比较，主要有以下几方面特点：复杂的气动特性；使用超燃冲压发动机；飞行器机体与发动机一体化；飞行器机体与推进系统和飞行器结构动态之间耦合强；飞行器模型非线性度高；飞行器飞行高度、速度跨度大；飞行环境复杂，瞬息万变；气动特性和气热特性变化剧烈；控制精度高，末制导难度大。

高超音速飞行器飞行高度可达离地面20~100km的大气层空间，这一空间位于低轨卫星轨道的下方、一般飞机的飞行高度的上方，包括大气平流层、中间层和部分热层，是尚待开发的近空间区域。

国际学界高度评价了该项工作，认为其构建了气动加热新原理，对于改进高超飞行器的设计，提高其安全性具有极为重要的意义。一般认为高超声速边界层中的气动加热来自于壁面摩擦力的剪切做功，该课题组运用多种实验手段在北京大学高超声速静风洞中展开实验，并结合理论和计算方法，发现由包括胀压粘性在内的胀压做功过程会在转捩前期产生剧烈的气动加热，其大小可能超过完全湍流状态下的气动加热值，这一过程与由二次模态波引起的高频压缩——膨胀过程紧密相关。这一重要发现告诉人们，在高马赫数流动中，胀压做功特别是胀压粘性系数的作用不可忽视，准确评估其大小对于高超转捩的理论分析和计算建模具有极为重要的意义。