單軌火箭橇跨聲速試驗復雜流動研究

楊依峰，周人歌，吳 喬，張衷之，陳 浩

北京航天長征飛行器研究所，北京 100076

火箭橇試驗是采用小型火箭推動，由火箭橇車體搭載試驗件，在專用軌道上運行，獲得一系列飛行狀態參數的動態試驗過程[1]。火箭撬試驗是航空航天高速飛行器試驗過程中的一種重要的地面模擬試驗手段，是介于常規風洞試驗和真實飛行試驗之間的試驗方法，其最大特點是可以模擬試驗模型所需的速度和加速度。利用這一試驗方法，不僅能考核航空航天飛行器整機、部件的性能，也能考核其對高速飛行環境的適應性和可靠性。該試驗方法基本涵蓋飛行試驗，能夠考核全尺寸模型，并且可以在軌無損回收模型，以供進一步的分析。此外，火箭撬試驗可以通過在地面模擬飛行過程來獲得大量數據，并且試驗的重復性、操控性和維護性均優于風洞試驗。國外發達國家十分重視高速地面火箭撬試驗，在20世紀60年代開展了高速火箭撬試驗，如美國建立了長達15km的火箭撬試驗軌道，開展了高速飛行器試驗、高速火箭發動機試驗和高雷諾數氣動力試驗，以及相關的火箭撬專項試驗。火箭撬試驗如圖1所示。

圖 1 火箭撬試驗

火箭撬技術的優點在于能夠模擬較高飛行的動壓，能夠測試全尺寸飛行器模型；而缺點在于對飛行器流場的模擬存在復雜的地面效應和橇體干擾。國內外對火箭橇復雜流場開展了大量的研究，如國外Praharaj等[2]對火箭橇的穩態流場進行了模擬；Lofthouse等[3]利用數值手段對超聲速單軌火箭橇流場進行了研究；Hegedus等[4]對有、無鴨翼的火箭橇結構進行了氣動特性計算，得到了火箭橇表面壓力分布。國內鄒偉紅[5]、張傳俠等[6]、肖紅等[7]采用數值仿真方法對火箭橇復雜流場進行了研究。這些研究主要針對亞聲速和超聲速火箭橇試驗進行流場研究，對跨聲速火箭橇復雜流場研究較少。

為此，文章采用CFD方法對跨聲速火箭橇試驗進行數值仿真，研究試驗地面及橇體對火箭橇試驗流場的干擾影響。

1 數值方法

采用Navier-Stokes方程作為流動控制方程，其積分形式為

式中：V為控制體體積；為守恒變量矢量；?為控制體表面；為通過表面?的凈通量矢量，包含黏性項和無黏性項；為表面的?單位外法向矢量。

控制方程中通量項的離散采用Van-Leer格式，時間離散采用LU-SGS隱式時間推進格式，湍流模型采用SST湍流模型。該方法已經在航空航天飛行器氣動設計中得到了廣泛應用。

與傳統飛行環境流場仿真相比，火箭橇試驗流場仿真存在復雜的相對運動關系。火箭橇在地面高速移動時，氣流相對橇車存在一定的速度，而相對地面又是靜止的，火箭橇試驗相對運動關系如圖2所示。

圖 2 火箭橇試驗相對運動關系

解決該問題比較直接的方法是采用重疊網格技術，地面網格不移動而橇車移動，這需要大量的網格，導致仿真過程相當復雜和耗時。為此，文章基于氣流相對條件分析，從物理模型著手，通過邊界條件實現對整個運動過程流場的仿真。具體來講，在假定空氣運動的前提下，橇車支架相對空氣是運動的，對橇車支架的物面邊界信息設定為無滑移邊界條件：

u=v=w=0

式中：u、v、w分別為X、Y、Z三個方向的速度；T為溫度；n為物面法線方向；w為物面。

試驗地面相對空氣是靜止的，對試驗地面的邊界信息設定為滑移邊界條件：

由此，可以真實地反映火箭橇試驗時橇車支架、試驗地面與空氣之間的相對運動關系，從而能夠更加準確地模擬火箭橇跨聲速試驗時的復雜流動情況。

2 計算模型及網格

文章以某單軌火箭橇為研究對象，試驗模型為軸對稱球柱外形。單軌火箭橇試驗幾何模型如圖3所示。

圖3 單軌火箭橇試驗幾何模型

采用非結構混合網格對空間流場進行離散，對模型前緣、激波位置、流動分離區進行網格加密。模型表面網格如圖4所示。

圖4 模型表面網格

3 結果分析

采用上述方法對火箭橇跨聲速流場進行仿真，計算狀態為V∞=400m/s。

火箭橇繞流空間壓強系數分布云圖如圖5所示，縱向對稱平面壓強系數分布云圖如圖6所示。從圖5、圖6可以看出，火箭橇前部形成了兩處較強的弓形激波，一處位于試驗模型前部，另一處位于橇體前部。兩道弓形激波在靠近試驗地面附近與地面形成了較強的耦合干擾。試驗件模型上下的激波形狀不同，其激波后的流動存在非對稱性，對試驗模型的氣動特性存在一定影響。

圖5 空間壓強系數分布云圖

圖6 縱向對稱面壓強系數分布云圖

火箭橇速度從300m/s至500m/s（間隔50m/s）的縱向對稱面壓強系數云圖如圖7所示。從圖7可以看出，在速度較低時，試驗地面及橇體對試驗流場有較大干擾影響；隨著速度的增大，橇體前部的弓形激波后移，橇體與試驗地面對模型的干擾影響逐漸減小。

圖7 火箭橇不同速度縱向對稱面壓強系數云圖

4 結論

文章采用CFD方法對跨聲速單軌火箭橇試驗流場進行了研究，主要得出了以下結論：

（1）試驗模型前部弓形激波與橇體激波在試驗地面附近形成復雜的激波干擾，使試驗模型上下流場非對稱，對模型氣動特性造成干擾影響；

（2）隨著橇車速度的增大，橇體前部的弓形激波后移，對模型的干擾影響逐漸減小。