- 程旋;杨钧烽;张依鸣;吴止境;柳丹;王建美;肖存英;胡雄;
大气经验模型是简单、快速获取临近空间大气数据的重要工具,对临近空间飞行器技术的研究和应用都有重要意义。综述了国内外典型临近空间大气经验模型的研究现状,包括美国标准大气、COSPAR参考大气系列模型、质谱仪非相干散射雷达系列模型、水平风场模型、全球参考大气模型和中国参考大气模型等,并对模型的发展历程和特点进行了总结,分析了国内外模型发展的差距。利用TIMED/SABER卫星观测数据统计获得的多年月均值,分别对常用的临近空间大气经验模型(USSA-76、CIRA-1986、MSIS 2.0、GRAM-95和GJB 5601-2006)在中国区域的适用性进行了定量评估。结果表明,模型在中国区域的适用性从高到底依次为:MSIS2.0、GJB5601-2006、GRAM-95、CIRA-86和USSA-76,所得结论为我国临近空间大气经验模型的建模、优化、选择和使用提供了参考。
2023年01期 No.451 1-12页 [查看摘要][在线阅读][下载 906K] - 任德馨;雷久侯;陈雪涛;刘宇;崔飞;张媛文;
随着空天科技的发展,临近空间环境数值预报需求迅速增长。临近空间环境数值预报通常采用特定数据同化方法,通过融合多源观测资料,优化对临近空间环境准实时状态的估计。通过结合优化估计的初态与理论模式推演,实现临近空间环境数值预报。然而,由于现有理论模式存在缺陷,预报误差随时间延长而快速增长,理论模式对临近空间环境的预报能力亟待提升。本研究主要关注初态优化估计对临近空间环境数值预报精度的影响。分析结果表明,为提升临近空间多天预报精度,太阳辐射加热与重力波曳力等外部驱动过程需尽可能准确估计。此外,针对重点区域的临近空间数值预报,同样需要对全球范围的临近空间大气要素进行优化估计。
2023年01期 No.451 13-18页 [查看摘要][在线阅读][下载 962K] - 张献中;钟凯;吴同;李欣岐;张益健;王煜;李吉宁;徐德刚;姚建铨;
临近空间对气候变化、高超声速飞行器设计与应用等具有重要影响,对其参数分布及变化规律的认知一直是相关领域的研究热点。近年来,大气环境探测技术与仪器取得显著进展,其中瑞利激光雷达凭借高精度、高分辨率和连续观测等优势,成为临近空间环境探测的最重要的装备之一。从提高收发系统能力、减小噪声信号强度和缩短回波探测距离等瑞利激光雷达探测技术的主要发展方向着手,对瑞利激光雷达的发展现状进行了归纳总结,介绍了瑞利激光雷达数据反演技术,阐述了三种数据反演算法的基本原理并进行了对比分析。基于上述分析,对瑞利激光雷达在临近空间大气环境探测的发展方向进行了展望。
2023年01期 No.451 19-42页 [查看摘要][在线阅读][下载 2343K] - 郝晓静;王立斌;马玉;王晓宾;易稳;丁宗华;李娜;
流星雷达(MR)与中频(MF)雷达是探测70～100 km临近空间水平风场的2种主要地基无线电观测手段,但目前对它们观测风场的差异还不是很清楚。比较研究了昆明站2台不同频率流星雷达(37.5 MHz、53.1 MHz)与中频雷达的风场。结果表明,2台流星雷达风速接近,它们与MF雷达风速差异较大;MF雷达风速值变化范围大,且大部分时间风速高于两台MR雷达;在80～90 km高度范围,3台雷达风速最相近,且最接近真实风速,其中,2台MR雷达风速差值均值的绝对值小于5 m/s,差值标准差约30 m/s;它们与MF雷达风速差值均值的绝对值小于15 m/s,差值标准差约60 m/s。对于风剪切,MF雷达与MR雷达都能探测到风向剪切,但MF雷达缺乏对于风速剪切的探测能力。风速日变化结果显示,一天内3台雷达有相似的变化趋势和波动周期,但MF雷达与两台MR雷达的波动幅度存在明显差异。总的来看,MF雷达与两台MR雷达风速存在明显的系统偏差。
2023年01期 No.451 43-52页 [查看摘要][在线阅读][下载 1657K] - 赵博;孙红胜;易卉;曹可;杨健;
中高层大气环境数据的准确获取是飞行器设计面临的重要问题。针对中高层大气环境探测对于测量不确定度评定的需求,梳理了国内外测量不确定度研究与应用现状,分析归纳了中高层大气环境测量不确定度面临的关键问题。形成了中高层大气环境测量不确定度顶层认识,提出了总体研究思路与研究框架,论述了中高层大气环境测量不确定度评定方法、测量不确定度快速评定技术、原位探测载荷测量不确定度量化分析技术等研究内容,并对研究结果的工程应用进行了展望。
2023年01期 No.451 53-60页 [查看摘要][在线阅读][下载 973K] - 王莹;盛峥;葛魏;何阳;秦子林;
中层大气臭氧浓度对临近空间大气环境和全球气候变化具有重要影响。鉴于中层大气臭氧全球结构的长期振荡特性研究尚不清楚,采用Lomb-Scargle功率谱分析方法,分别识别全球不同纬度和经度范围内臭氧分布的主要振荡周期,比较分析不同纬度、经度范围下的臭氧振荡形态及可能产生的原因。结果表明:在纬向结构上,赤道臭氧总量分布存在显著的准半年、准1年、准2～3年和准10～11年的周期振荡,南北半球中高纬度都存在明显的准1年周期振荡,且南半球高纬度地区存在准半年和准7-8年的周期振荡;在经向结构上,全球经向臭氧总量分布都存在显著的准1年振荡周期,东半球臭氧总量分布还存在准7-8年和准10-12年的振荡周期。研究成果可为临近空间大气环境精细化认知与建模提供理论基础。
2023年01期 No.451 61-69页 [查看摘要][在线阅读][下载 1074K] - 郑德智;邵帅;李中翔;陈敏泽;李望;
临近空间大气环境极其复杂,难以探测,多采用探空火箭投放探空仪进行原位探测,但探空仪下落速度较快导致测量气压骤变,气压传感器需要有较高的动态特性。为此提出了一种基于数字滤波器的气压传感器动态特性补偿方法,通过动态标定获取气压传感器的动态测试数据,利用群体智能算法逆向建模设计数字补偿滤波器,对气压传感器进行补偿处理。仿真结果表明,研究方法有效地改善了气压传感器的动态特性,扩展了气压传感器的通频带,使气压传感器的动态测试误差明显减小,为临近空间气压探测的精度提升提供一种有效的优化方法。
2023年01期 No.451 70-76+83页 [查看摘要][在线阅读][下载 1002K] - 郑德智;许宁;吴中怀;王国俨;杜蓉;
飞艇搭载激光雷达可以实现对临近空间大气参数进行探测。作为一种新型探测方法,弥补了临近空间大气探测手段的不足,对构建空天地一体化国家安全体系具有重要的意义。由于艇载激光雷达探测精度受飞艇飞行姿态的影响较大,因此,在探测过程中飞艇要保持良好的姿态。飞艇姿态可以通过飞艇惯性导航系统来测控,其中负责飞艇加速度测量的加速度计是惯性导航系统中的重要元件。针对飞艇惯性导航系统对飞行姿态测控问题,对国内外飞艇惯性导航系统中加速度计模块的发展历程和最新研究情况进行了全面的介绍,总结了适用于飞艇惯性导航系统的加速度计特点,并提出了未来发展方向和展望,为飞艇搭载激光雷达大气探测技术中飞艇姿态控制发展提供参考。
2023年01期 No.451 77-83页 [查看摘要][在线阅读][下载 787K]
- 全栋梁;赵雄涛;张宇鹏;
空天飞行器天地往返、跨域飞行,需承受高温、振动、噪声等严苛服役环境,结构与热防护系统面临重复使用的巨大挑战。结构健康监测技术在提高飞行器结构安全性、降低维护成本、提升任务效率方面展现了巨大潜力。然而,已有研究主要聚焦于航空飞行器,针对空天飞行器结构与热防护系统的研究相对薄弱。对空天飞行器结构健康监测技术国内外研究现状进行了总结,对应用场景、技术挑战进行了分析,给出了数据在线监测、损伤定量诊断、寿命综合管理的技术发展路线以及包含总体设计、传感感知、调制解调、状态评估的关键技术体系。相关成果希望能为空天飞行器结构与热防护系统健康监测技术发展提供参考,支撑空天飞行器设计阶段减冗降余、服役阶段故障诊断与失效防控、运维阶段视情维修等能力实现。
2023年01期 No.451 84-97页 [查看摘要][在线阅读][下载 1928K] - 马晗;方芳;陈强;李福贵;李彦斌;费庆国;
空天飞行器具有跨空域、宽速域、可重复使用等特点,飞行包线和气动外形的变化使得结构服役时面临的气动热环境也出现新变化,对热防护系统设计和管理提出了极高要求。根据现有热防护技术的基本原理,从控、防、抗三个方面出发,分析了空天飞行器热防护系统的研究现状和技术瓶颈。在此基础上,结合对未来飞行器数字化发展的判断,从数和用两方面出发,探讨了发展热管理系统的技术途径,给出了由被动防护到主动管理的热防护新思路。
2023年01期 No.451 98-106+131页 [查看摘要][在线阅读][下载 1843K] - 张跃;刘金钢;靳永立;黄晓伟;盛新庆;
临近空间高速飞行器的等离子体鞘套具有非均匀、负介电常数和电大尺寸等特点,给现有的电磁数值模拟方法带来了严峻挑战。利用混合有限元-边界元-多层快速多极子算法(FE-BIMLFMA,合元极),对高速飞行等离子体包覆目标的天线辐射性能进行了全波数值仿真。针对非均匀特征和由于磁化导致的各向异性,推导了介电常数为张量形式下的合元极公式,并对系统矩阵进行了预处理以加速迭代。针对不同高度、速度下的等离子体包覆球头锥和天线一体化模型,计算了不同频率、天线位置的辐射方向图,数据表明:增大天线工作频率、将天线部署于电子密度较小的飞行器尾部均可降低等离子体对天线性能的影响;通过添加静态强磁场,可以改善天线在高电子密度分布区的辐射性能;部分计算状态还可以观察到辐射增强、方向图反转、偏移等现象,可以为高速飞行器天线设计、中继通信等研究提供数据支撑。
2023年01期 No.451 107-114+149页 [查看摘要][在线阅读][下载 1049K] - 冉锐;田照阳;石磊;
由于真实临近空间大气结构强烈的空间不均匀性和时变性,超燃冲压发动机在临近空间宽速域、大空域工作时面临来流参数变化剧烈的问题,采用数值模拟的方法研究了飞行环境参数突变时冲压进气道波系结构及隔离段流动的动态演化特性。研究表明,在典型飞行马赫数为6时,来流静压突变对进气道隔离段内波系结构和压强分布趋势影响微弱,飞行静压的提高会使隔离段内来流的平均速度增大,总压恢复系数也上升0.68%,增压效果减弱。而环境静温突变对进气道流动带来的影响更为显著,体现在压力变化趋势、流动参数变化幅度,以及动态响应、参数变化趋势区域性差异等诸多方面。环境静温突增使进气道沿程压力分布整体呈下降趋势,其中马赫数下降幅度为10.1%;同时,波系向上游移动且强度降低,削弱了隔离段抗反压能力。环境静温下降则会增加隔离段出口处非均匀性与能量损耗,使总压恢复系数下降65.23%,畸变指数上升0.32%,从而削弱发动机工作性能。
2023年01期 No.451 115-131页 [查看摘要][在线阅读][下载 2368K] - 杨力;牛志田;高包海;任亚涛;齐宏;
高温燃烧现象在航空航天和工业生产中广泛存在,发展精确高效的燃烧温度测量技术对于监测设备运行状态具有重要意义。光场层析成像是一种非接触式光学燃烧诊断技术,利用光场相机对火焰自身出射辐射场进行探测,在火焰三维参数场重建方面具有广阔的应用前景。针对光场相机信息获取过程中的密集采样和信息冗余所导致的成像效率慢问题,基于光场层析成像和视在光线法建立的正问题模型和Landweber算法建立的反问题模型,利用遗传算法优化光场采样特性并分析了噪声对于温度场重建结果的影响。结果表明,优化的特征采样点可获得精度高和抗噪性强的三维温度成像,满足火焰测温成像精度要求。
2023年01期 No.451 132-139+158页 [查看摘要][在线阅读][下载 1240K] - 刘潇;樊宇翔;赵瑞;雷娟棉;
壁面微吹吸会影响高超声速边界层的稳定性,进而改变边界层转捩位置。以微孔隙作为微吹吸介质,通过在法向速度模型中引入孔隙率,并与微孔隙的声学导纳模型相结合,提出了微孔隙-微吹吸组合控制的计算模型。使用直接数值模拟(Direct Numerical Simulation,DNS)与通过微孔隙实际结构吹吸气对比,验证了模型的准确性。基于计算模型,使用线性稳定性理论(Linear Stability Theory,LST)与DNS研究了微孔隙-微吹吸组合控制的安装位置对高超声速边界层内扰动演化的影响规律。研究表明:相比于无吹吸情况,组合控制吹气会激发边界层扰动模态,组合控制吸气会抑制扰动的增长。
2023年01期 No.451 140-149页 [查看摘要][在线阅读][下载 1367K] - 万兵兵;陈曦;陈坚强;袁先旭;段茂昌;黄章峰;涂国华;
转捩预测技术是飞行器减阻增程设计的重要手段之一。e~N方法是基于稳定性理论建立的常用可靠转捩预测方法,但是由于飞行器实际外形呈现出三维复杂特征,该方法离工程应用还存在较大距离。为此开发了一款基于三维边界层e~N方法的高超声速转捩预测软件。同时,结合风洞实验与飞行试验,开展了该软件对圆锥、升力体等高超声速典型标模的转捩预测与分析研究,实现了该软件对Mack模态、横流模态、流向涡失稳等典型转捩机制预测的应用。通过与实验数据对比,获得了更多流动条件下典型外形的转捩判据,丰富了转捩判据知识库,不断提高软件的转捩预测精度。
2023年01期 No.451 150-158页 [查看摘要][在线阅读][下载 1042K] - 方思晗;林鑫;杨俊娜;曾徽;欧东斌;李飞;余西龙;
高焓非平衡环境下防热材料表面特性的科学测试与评价是准确预测飞行器热载荷、热防护材料选择与结构设计的关键。材料表面离解原子数密度与物理化学进程密切相关,由于在高焓非平衡流场中实现防热材料表面原子数密度定量测量难度极大,且有效测量手段异常匮乏,高焓非平衡流场与防热材料特性耦合作用机制仍缺乏清晰认知。为深入探究防热材料表面气-固耦合作用机制,本研究基于发射/吸收光谱融合测量方法,并利用大功率高频感应风洞提供高焓等离子体流场环境,针对典型碳基复合材料开展实验验证。碳基复合材料加热时间为92 s,气流焓值为20 MJ/kg,驻点压力为1.8 kPa。实验获得的光谱结果与宏观规律具有一致性,表明本研究提出的辐射/吸收融合光谱诊断方法具有应用于防热材料与高焓非平衡流高温界面耦合效应研究的潜力。
2023年01期 No.451 159-169页 [查看摘要][在线阅读][下载 1500K] - 刘松;杜斌;庄剑;
高超声速升力体构型飞行器具有局部小尺寸特征,在临近空间中等高空飞行时,会出现连续流、滑移流、过渡流等多尺度流动共存的现象,对飞行器气动力、热特性造成影响。针对这一问题,采用滑移/无滑移边界N-S方程、直接模拟蒙特卡罗方法 (Direct Simulation Monte Carlo,DSMC)等多种计算方法,系统地研究了多尺度流动特征演化规律,并通过数值计算结果对比,详细地分析了多尺度流动效应对升力体构型气动特性的影响规律。结果表明:飞行高度对高超声速流场的空间流态分布影响更为显著;随着飞行高度增加,出现连续流、滑移流和过渡流3种流态共存现象;相比于纵向气动力系数,飞行高度对轴向力系数的影响较大;相较于压力,多尺度流动效应对热流和摩阻的影响更大,尤其在头部驻点处,热流和摩阻相差比例达到40%和52%。
2023年01期 No.451 170-179页 [查看摘要][在线阅读][下载 1524K] - 王树博;杜斌;姜百汇;
提升高超声速飞行试验测试能力是当前美国国防部的重要任务。通过跟踪其最新发展,分析了美国在高超声速飞行试验测试基础设施方面面临的制约。介绍了美国为改善高超声速飞行试验基础设施推出的空天靶场项目,重点跟踪了该项目支持下的靶场鹰机载测试无人机、Roc平流层发射载机、Talon系列高超声速飞行器的最新发展现状。总结了空天靶场项目对于美军提升飞行试验测试能力,探索高频次、低成本飞行试验方法,发展高超声速巡航导弹及可重复使用飞行器,研发反高超声速武器系统等方面的潜在影响,为提升高超声速飞行试验测试能力提供参考。
2023年01期 No.451 180-184页 [查看摘要][在线阅读][下载 725K] 下载本期数据