针对低成本、清洁、可重复使用及基于高压气动推冲器的的运载火箭级间分离系统,设计合理的分离时序,根据不同分离阶段建立分离体的动力学模型;根据气体动力学原理建立包括气瓶、气缸、管路的动态数学模型;最后在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,得到分离过程中气动系统压力变化和分离体运动参数变化曲线,并通过仿真分析分离气缸缸径、气管管径等参数对分离距离的影响规律,同时考虑残余推力偏心和质心偏差等因素对分离的影响,采用Monte Carlo方法分析了分离过程中分离体的相对运动范围。结果表明所建立数学模型能够正确反映分离过程中参数的变化,且在偏差干扰条件下,分离体相对运动在安全范围内,进一步验证了该分离系统具有可行性。

两级入轨(TSTO)重复使用飞行器并联级间分离是一二级飞行器设计必须考虑的关键因素。采用国家数值风洞工程通用CFD软件NNW-FlowStar,基于各向异性非结构混合网格及重叠网格技术,研究了TSTO在侧滑角下的并联级间分离过程。软件通过自主改进的Roe熵修正方法、节点高斯梯度算法实现高超声速流场的精细模拟,运用“物面相交”准则实现多套网格间的并行挖洞。采用双时间步求解非定常分离过程,内迭代计算采用LU-SGS方法。文中首先采用WPFS投放标模验证了软件在常规分离投放方面的数值模拟精度;然后模拟获得TSTO组合体定常气动特性,分析了不同攻角下一二级的气动特性以及可能的安全分离状态;最后数值模拟了TSTO在负攻角、正侧滑角下的并联级间分离过程,与对应的CTS试验结果比较,两级质心位移的计算值和实验值随时间变化具有很好的一致性,偏航角及俯...

针对多级航天器级间分离研究的地面试验需求,在高速风洞中发展了能够同时模拟前、后级运动的级间分离试验技术。利用风洞的上、下迎角机构,配置电机、传动系统和控制系统,建立了可变迎角和x向位移的上驱动机构,以及可变迎角、x向位移和y向位移的下驱动机构。分别将多级航天器的前、后级模型及测力天平与风洞上、下驱动机构连接,在级间分离计算机控制下,可开展前级迎角、后级迎角、前后级x向和y向相对位置协同模拟的轨迹模拟试验。调试和应用结果表明上驱动机构可实现迎角–15°~15°、x向0~200 mm范围内的受控运动;下驱动机构可实现迎角–11°~49°、x向0~680 mm、y向0~507 mm范围内的受控运动;系统可用于常规测力试验、投放试验、网格测力试验和轨迹捕获试验。

基于涡轮/冲压组合动力的水平起降两级入轨飞行模式是重复使用飞行器降低发射成本、缩短发射周期的重要途径之一,气动布局设计需要在飞行器总体规模尺度约束下满足全速域全空域的气动特性、操稳特性及防热特性需求。为研究级间分离特性,讨论了任务使命、动力配置、飞行模式及总体规模限制下的两级入轨(TSTO)重复使用飞行器的气动布局设计,针对二级及一级面临的飞行任务需求和气动特性需求,分别提出了多种气动布局方案。对两种改进方案进行了初步的气动计算,并进行了上升段升重平衡下的飞行剖面重构。为提高级间分离的安全性并提高超声速/高超声速的升阻效率和航向稳定性,对双垂尾及可下折翼梢进行了适当修改,形成了TSTO系统新一轮研究方案,并在此基础上规划了后续研究工作。

级间连接托可显著增加高超声速飞行器与助推器间的连接刚度，针对此种连接形式在级间分离阶段对飞行器带来的气动干扰问题，以类X-43A飞行器为研究对象，采用数值模拟方法对分离干扰机理进行了研究。研究表明:级间连接托导致飞行器在分离时产生较大附加低头力矩和升力，此种干扰是分离涡流区和激波/涡流相互作用的结果;考虑连接托的干扰影响时，飞行器运动轨迹与自由飞轨迹存在差别，尤其俯仰角变化显著不同。