精确预示地面效应下高速火箭橇的气动特性及流场规律对高速火箭橇的设计和评估具有重要意义。本文应用有限体积方法,研究了湍流模型对火箭橇气动特性计算精度的影响,建立了基于realizable k-ε湍流模型的火箭橇气动特性的高精度数值计算方法;结合风洞试验方法,研究了雷诺数和地面效应对高速火箭橇流场流动规律的影响,分析了火箭橇气动特性。结果表明,火箭橇阻力系数随雷诺数增大而减小,升力系数和俯仰力矩系数随雷诺数增大而增大,但雷诺数对高速火箭橇气动特性的影响较小;地面效应会使火箭橇流场发生激波-激波干扰、激波-边界层干扰和激波反复反射等复杂气动现象,大幅提升了火箭橇的升力系数和俯仰力矩系数,但对阻力系数的影响较小。研究为高速火箭橇气动外形的设计及运动稳定性的评估提供依据。

为减小高超声速火箭橇在轨运动时由于气动升力导致的运行不稳定,故在其前、后滑靴上安装导流板以提供负升力。以考虑粘性的稳态三维可压N-S方程为控制方程,采用经熵修正的Roe空间差分格式、LU-SGS隐式时间推进格式,使用两方程可实现k-ε湍流模型,对14种气动外形进行了CFD仿真,从导流板气动效果、流场特性、外形优化和速度影响四个方面进行了研究。结果表明:导流板可增大火箭橇负升力,增强其运行稳定性;火箭橇流场存在大量激波反射、激波干扰行为,影响着导流板周围流场的密度、温度、速度、湍动能与涡线分布,也影响着导流板所受的气动力;导流板的尺寸及安装角会影响导流板的气动性能,且安装角对其影响更明显,以此可进行导流板的气动外形优化;随着马赫数的增大,前导流板负升力及阻力增大程度相比于后导流板更为明显。