舵翼结构气动热力耦合数值模拟与实验研究

张佳明，王文瑞，武宏宇，温晓东

(1.北京科技大学 机械工程学院， 北京 100083; 2.流体与材料相互作用教育部重点实验室， 北京 100083; 3.天津航天机电设备研究所 天津市宇航智能装备技术企业重点实验室， 天津 300301)

近空间飞行器拥有快速响应、突防能力强等特点，可在较短时间内对目标实施精准打击，是各个军事大国研究的重点，对国家安全、空间技术发展乃至科学技术的进步具有极大的战略意义[1-2]。在近空间飞行器高速飞行过程中，周围空气受到激波的强烈压缩，对飞行器表面产生剧烈的气动加热作用。舵翼结构作为飞行器关键部件，产生很高的温度与温度梯度，使其结构产生变形或破坏，直接影响飞行稳定性，严重时造成偏离飞行轨道甚至掉落，影响精确打击效果[3-4]。因此，亟需开展舵翼结构在气动热力结构耦合作用下的响应研究。

在实验方面，夏吝时[12]对金属尖化前缘、吴大方[13]对飞行器耐高温复合材料翼面进行了热环境下的热力性能实验。欧朝等对锥-柱-裙构件在气动环境下的结构响应开展了实验，并分析了表面粗糙度对激波的影响[14]。蔡礼港等对舵翼结构在电弧风洞中的烧蚀速率开展了实验[15]。

大多数研究者在模拟方面仅针对较低马赫数工况开展，实验方面基于单纯热环境进行强度分析，或对气动环境进行流场验证，而多物理场耦合模拟结果难以得到实验验证。本文根据集束射流风洞装置，基于计算流体力学、结构力学、空气动力学及传热学基本理论，利用ANSYS Workbench建立一体化的多物理场耦合数值模拟框架，得到舵翼结构在近空间飞行环境中的气动加热和结构响应过程，并在集束射流风洞装置中开展实验，验证数值模拟结果。……