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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 ATD424

5.7.6 TPS＆HS的新材料和概念425

5.7.7 HMS425

5.7.8 GNC425

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