基于变坡度Ramp-VG阵列的超声速飞行器气动光学效应调控

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31839

流体力学与飞行力学

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基于变坡度Ramp-VG阵列的超声速飞行器气动光学效应调控

孙健维¹, 邢思远², 田建东²^,³, 杨永明¹, 田大鹏¹()

^1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所动态光学成像与测量全国重点实验室，长春 130033
^2.中国航天科技体系与创新研究院，北京 100088
^3.北京大学工学院，北京 100871

收稿日期:2025-01-23 修回日期:2025-03-03 接受日期:2025-03-04 出版日期:2025-03-21 发布日期:2025-03-06
通讯作者: 田大鹏 E-mail:d.tian@ciomp.ac.cn
基金资助:
中国科学院战略先导项目(XDB1050402);国家自然科学基金(52192633)

Aero-optical effect regulation of supersonic vehicles based on variable-slope Ramp-VG arrays

Jianwei SUN¹, Siyuan XING², Jiandong TIAN²^,³, Yongming YANG¹, Dapeng TIAN¹()

^1.State Key Laboratory of Dynamic Optical Imaging and Measurement，Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Science，Changchun 130033，China
^2.China Academy of Aerospace Science and Innovation，Beijing 100088，China
^3.College of Engineering，Beijing University，Beijing 100871，China

Received:2025-01-23 Revised:2025-03-03 Accepted:2025-03-04 Online:2025-03-21 Published:2025-03-06
Contact: Dapeng TIAN E-mail:d.tian@ciomp.ac.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52192633);Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDB 1050402)

摘要/Abstract

摘要：

针对超声速飞行器在大气层内飞行引起严重的气动光学效应问题，提出利用变坡度的斜坡型涡流发生器（Ramp-VG）阵列，通过在飞行中调整不同坡度参数，在跨速域工况下实现动态光场调控，抑制不同飞行任务剖面下的光学畸变。基于大涡模拟（LES）方法与光线追迹法，建立气动光学效应计算与评估模型，系统揭示Ramp-VG坡度参数对湍流结构演化与光传输特性的影响规律。研究结果表明适应边界层特性的Ramp-VG阵列能够有效改善光窗表面的流动特性，推迟湍流转捩点，显著抑制因凹窗后缘台阶流动分离和湍流发展引起的光学畸变，在Ma=3.2工况下采用5°坡度使波前畸变降低24.6%，而在Ma=2工况下15°坡度实现畸变抑制达46.5%。进一步揭示了变坡度Ramp-VG阵列流场与光场调控机理，提出变坡度Ramp-VG阵列光场调控策略，为在不同马赫数、飞行高度和成像模式下的光学性能优化，以及复杂飞行条件下的光学窗口设计提供了新思路。

关键词: 超声速飞行器, 气动光学效应, 自适应飞行器, 波前畸变, Ramp-VG阵列

Abstract:

To address the aero-optical effects caused by supersonic vehicles flying within the atmosphere， this study proposes an array of variable-slope Ramp Vortex Generator （Ramp-VG）. By adjusting slope parameters， dynamic light field regulation is achieved across transonic and supersonic conditions， effectively reducing optical distortions under different flight mission profiles. Based on Large Eddy Simulation （LES） and ray-tracing methods， a calculation and evaluation model for aero-optical effects is established to compare the performance of variable-slope Ramp-VG arrays under different flight speeds. The results demonstrate that Ramp-VG arrays adapted to boundary layer characteristics can effectively improve the flow characteristics over the optical window， delay turbulent transition， and significantly suppress optical distortions caused by flow separation and turbulence development at the rear edge of recessed windows. At Ma=3.2， a 5° Ramp-VG reduces wavefront distortion by 24.6%， while a 15° Ramp-VG at Ma=2 achieves a distortion suppression rate of 46.5%. Furthermore， the study reveals the flow field and optical field regulation mechanisms of variable-slope Ramp-VG arrays and proposes a light field regulation strategy. This provides new insights for optimizing optical performance under different Mach numbers， flight altitudes， and imaging modes， as well as for designing optical windows under complex flight conditions.

Key words: supersonic vehicles, aero-optical effects, morphing aircraft, wavefront distortion, Ramp-VG Arrays

中图分类号:

V249.3

孙健维, 邢思远, 田建东, 杨永明, 田大鹏. 基于变坡度Ramp-VG阵列的超声速飞行器气动光学效应调控[J]. 航空学报, 2025, 46(22): 131839.

Jianwei SUN, Siyuan XING, Jiandong TIAN, Yongming YANG, Dapeng TIAN. Aero-optical effect regulation of supersonic vehicles based on variable-slope Ramp-VG arrays[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(22): 131839.

图/表 15

图 1

图 2

图 3

图 4

表1

网格无关性验证结果

网格规模

（10⁶单元数）

阻力

系数 $C D$

Δ L o p t, r m s

/nm

$C D$ 相对

误差/%

$Δ L o p t, r m s$ 相

对误差/%

1.07

0.292

32.12

2.10

0.266

27.32

8.90

14.94

3.20

0.256

25.41

3.75

6.99

表1

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

参考文献 25

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