ИВМ СО РАН Поиск 
Ресурсы :: монографии
институт
структура
сотрудники
аспирантура
конференции
семинары
ученый совет
совет молодых ученых
профсоюз
техническая база
история
фотогалерея
исследования
разработки
экспедиции
эл. архив
годовые отчеты
ссылки
библиотека
конкурсы
документы
адреса и телефоны
метеостанция
 

Вычислительное моделирование воздушно-космических систем.

Щепановский В. А., Щепановская Г. И.
Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН. — 2000. — 232 с.

Предисловие главного редактора серии «Современная аэродинамика»

В настоящее время в современной аэродинамике используются достижения очень многих разделов науки: общая механика, теория управления, оптимальные процессы, математический анализ, численный анализ, теория кинетики и горения, теория многофазных сред, и, естественно, собственно аэродинамические направления. Все это, как правило, соединено технологиями математического и вычислительного моделирования. В реальной задаче становится трудно разделить области знаний и невозможным выявить результаты вычислительного и физического эксперимента. Ясно, что подробное изложение вопросов современной аэродинамики одним или небольшим числом авторов (хотя, наверное, и возможно в принципе) потребует огромного труда и, главное, значительного времени, что, в свою очередь потребует дополнений или переизданий.

Предлагаемая монография, первая из серии, написана признанными специалистами, активно работающими в области механики, аэродинамики и вычислительных технологий. Фундаментальных монографий, посвященных специально проблеме воздушно — космических систем, до последнего времени не было в мировой литературе. Авторы представляют уникальный по широте охвата и проблематики материал, поэтому монография открывает серию. В то же время авторы специально сделали основной упор на технические вопросы вычислительного моделирования в проблеме воздушно — космических систем, т.е. на выборе методов и моделей для достижения конечной цели. Тогда как многие важные вопросы и результаты современной аэродинамики только обозначены и будут детально представлены в последующих монографиях серии, в частности, в первую очередь планируются книги по теории многофазных сред, по теории сверхзвукового горения, по экспериментальной аэродинамике, ламиниризации и др..

член-корреспондент РАН В. М. Фомин

Предисловие ответственного редактора

Вычислительное моделирование воздушно — космического летательного аппарата в комплексе или синтез ВКС на ЭВМ — проблема, которая всегда привлекала внимание исследователей. Однако воплощение идеи требует привлечения необъятно широкого объема знаний и результатов из всех областей знаний механики и математики. Причем это необходимо сделать практически на первых этапах работы — формулировке цели и постановке задачи. Авторы предприняли такую попытку и наполнили общие соображения конкретным содержанием.

Предлагаемый труд представляет первую в мировой литературе монографию, посвященную исследованию проблем ВКС в комплексе. Предложена вычислительная технологическая цепочка синтеза ВКС, когда цель сформулирована в виде критериев верхнего иерархического слоя. Поиск концепции системы ведется из условий выполнения функциональных критериев, а не промежуточных, пусть оптимальных, задач.

Используемые в монографии модели, методы, технологии, конечно, могут быть применены для исследования других проблем комплексного характера.

Академик РАН Ю. И. Шокин

Предисловие

За прошедшие 20 — 25 лет были выполнены важные экспериментальные и теоретические исследования в проблеме создания воздушно — космических систем и разработаны новые схемы летательных аппаратов для гиперзвукового диапазона скоростей. Можно сказать начинают вырисовываться концепции воздушно — космических систем для разных целей их функционирования. Точнее будет сказать, определяется технология для постановки и решения актуальных проблем воздушно — космической техники, названная нами вычислительным моделированием. Однако полученные результаты рассеяны в журналах, трудах конференций и отчетах государственных учреждений и промышленных фирм. Вследствие этого полными сведениями по данной теме располагает лишь небольшое число ученых, которые в последнее время не столь регулярно обмениваются информацией на официальных научно — технических конференциях, симпозиумах, съездах, конгрессах, а также имеют время для изучения такой литературы.

Разработчики, конструкторы летательных аппаратов, которые могли бы непосредственно использовать последние научные достижения в своей работе, как правило, не участвуют в обмене информацией по различным причинам, не последней из которых является отсутствие в настоящее время возможностей для поиска и изучения многочисленных публикаций частного характера и обмена информацией. Тем не менее материалы такого рода необходимы для тех, кто хотел бы ознакомиться с новыми технологиями и методами и научиться применять их для решения своих задач по мере накопления знаний в этой области. Поэтому мы с энтузиазмом и благодарностью приняли предложение Главного ученого секретаря Сибирского отделения РАН, члена — корреспондента РАН В. М. Фомина об участии в серии «СОВРЕМЕННАЯ АЭРОДИНАМИКА».

Идея комплексного решения проблемы создания и разработки гиперзвукового летательного аппарата возникла в начале 70-х годов и принадлежит выдающемуся ученому, академику В. В. Струминскому, в то время директору Института теоретической и прикладной механики, который сейчас возглавляет инициатор, составитель и главный редактор серии «СОВРЕМЕННАЯ АЭРОДИНАМИКА» член — корреспондент РАН В. М. Фомин. Реализация идеи потребовала новых организационных форм исследований, новых специалистов, ученых и огромных финансовых ресурсов. Все это в определенной степени было найдено и предоставлено. Хотя сам Струминский В. В. не смог участвовать в реализации задуманного, его последователи академик Н. Н. Яненко, член — корреспондент РАН В. Г. Дулов и сейчас член — корреспондент РАН В. М. Фомин творчески продолжили, расширяя и обогащая своими идеями, начатое.

Организация работ была такова, что результаты исследований фундаментального характера сразу передавались в ведущие НИИ и ОКБ Министерства авиационной промышленности и Военно — воздушных сил и через некоторое время получали, вполне заслуженно, статус прикладного. Такие связи в последнее время значительно ослабли, и потери, возможно невосполнимые, несут обе стороны и фундаментальная наука в лице РАН и Авиационно — космическая отрасль. Сейчас по основным направлениям современной аэродинамики Институт теоретической и прикладной механики является мировым лидером и авторитетом. Нам, может быть, это видится лучше, так как мы давно не работаем в этом институте и даже находимся в другом городе Красноярске. Хотя связи наши не прекращались как на официальном уровне (по инициативе академика Н. Н. Яненко принято специальное постановление Правительства о совместных исследованиях и координации работ между ИТПМ и ИВМ в области гиперзвуковой аэродинамики), так и при неофициальном общении, т.к. Красноярск и Новосибирск по сибирским меркам просто города — спутники.

Настоящая монография содержит, по нашему мнению, исчерпывающее изложение современного состояния этой области знаний и предназначена для аэродинамиков и конструкторов, которые непосредственно занимаются разработкой перспективных ракет и других летательных аппаратов. Мы надеемся, что содержащийся в книге материал будет полезен также и для аэродинамиков — исследователей. Также наша книга адресована специалистам в области численного анализа, математического моделирования и прикладной математики. И все же в первую очередь мы обращаемся к молодым начинающим ученым, аспирантам и даже студентам с целью передачи знаний и проблематики.

СОДЕРЖАНИЕ

  • Предисловие ответственного редактора
  • Предисловие
  • ВВЕДЕНИЕ
    • 1. Вычислительная аэродинамика
    • 2. Концепции
    • 3. Действующие проекты
    • 4. Проект Space Shuttle
    • 5. Перспективы
    • 6. Единство эксперимента и вычислений
    • 7. Программа NASP
    • 8. Проблемы ВКС 
    • 9. Моделирование
    • 10. Содержание

  • ТОМ 1. МОДЕЛИ, МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

    • Введение
    • ГЛАВА 1 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
      • 1.1. Введение
      • 1.2. Теоретические положения механики
        (1. Механика материальной точки (39). 2. Изменение массы при движении ВКС (39). 3. Динамика твердого тела (40).)
      • 1.3. Модель идеального газа
        (1. Модель описания сплошной среды (42). 2. Метод Эйлера описания движения жидкости и газа (43). 3. Кинематические положения (45). 4. Динамические уравнения движения (46).)
      • 1.4. Реальный газ 
        (1. Параметры подобия (50). 2. Уравнение состояния газа (52). 3. Термодинамические соотношения (53).)
      • 1.5. Атмосфера
        (1. Стандартная атмосфера (56). 2. Температура в высоких слоях атмосферы (57).)
      • 1.6. Литература
    • ГЛАВА 2 АНАЛИТИЧЕСКИЕ И ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ
      • 2.1. Введение
        (1. Аналитические возможности (60). 2. Нетривиальность приближенных методов при использовании в проблемах ВКС (60). 3. Новые приближенные методы для анализа трехмерных конфигураций ВКС (61). 4. Численные методы и их новые функции в вычислительном моделировании ВКС (61).)
      • 2.2. Аналитическое построение решений
        (1. Новая роль аналитических решений (62). 2. Векторная и координатная формы записи уравнений (63). 3. Решения с разрывом газодинамических параметров (64). 4. Прямой скачок уплотнения (65). 5. Обтекание клина (66). 6. Обтекание конуса (68). 6. Гиперзвуковое завихренное течение (71).)
      • 2.3. Приближенные методы
        (1. Линейные постановки (79). 2. Сверхзвуковое обтекание профиля (80). 3. Оптимальный сверхзвуковой профиль (81).)
      • 2.4. Возможности применения линейной теории для расчета давления
        (1. Модифицированные подходы для проблем ВКС (83). 2. Распределение давления по поверхности крыла (85).)
      • 2.5. Линеаризованные подходы к расчету возмущений давления на поверхности летательного аппарата при гиперзвуковых скоростях
        (1. Локальная линеаризация (88). 2. Возмущение давления (89). 3. Оценка интенсивности отраженных возмущений (91). 4. Нахождение угловых возмущений для определения производных устойчивости и управляемости полета воздушно — космической системы (93). 5. Определение давления для нахождения характеристик устойчивости и управляемости ВКС (97).)
      • 2.6. Методики эмпирического характера в проблеме ВКС 
        (1. Локальный характер эмпирических методик (100). 2. Математическая модель тестовой трехмерной конфигурации ВКС для анализа гиперзвуковых методов (101). 3. Локальность (103). 4. Метод Ньютона (104). 5. Учет вторичного взаимодействия (106). 6. Методы касательных клиньев и конусов (108). 7. Модификации локальных методов (111). 8. Метод скользящей кромки (112). 9. Качественная картина глобального решения в методе скользящей кромки (115). 10. Приближенный метод, учитывающий глобальные свойства течения в окрестности ВКС (116). 11. Проблема размерности (118).)
      • 2.7. Численные решения
        (1. Задачи и возможности численных методов (120). 2. Области приложений численных методов при моделировании ВКС (122). 3. Математические проблемы (126). 4. Преимущества и недостатки численного анализа (127). 5. Проблемы точности разностных методов (128). 6. Численные расчеты двигательных систем (128). 7. Комплексные расчеты ВКС с работающим двигателем (130). 8. Вычислительные технологии в проблеме ВКС (132).)
      • 2.8. Контрольные методики
        (1. Контроль точности эмпирических методов расчета ВКС (134). 2. Информативность частных решений (134). 3. Контроль качественной структуры течения в окрестности ВКС (136). 4. Общий вывод для приближенных методик (137). 5. Контрольные функции численных расчетов и экспериментальных испытаний и их значение при разработке ВКС (137).)
      • 2.9. Заключение 2.10. Литература
    • ГЛАВА 3 ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ
      • 3.1. Введение
        (1. Основные приемы технологии (142). 2. Использование информации частных решений (144). 3. Одномерные конфигурации (145). 4. Переход к проблемам ВКС (146). 5. Переход к реальным моделям ВКС и проблемы перехода (148). 6. Технология газодинамического конструирования в методике вычислительного эксперимента (149). 7. Вопросы вязкого трения (150).)
      • 3.2. Пространство действий
        (1. О практической реализации обтекания в пространстве газодинамического конструирования (152). 2. Особая роль линий тока в технологии газодинамического конструирования (153). 3. Новые свойства частных решений в пространстве газодинамического конструирования (154).)
      • 3.3. Основной алгоритм конструирования
        (1. Цель конструирования (156). 2. Частное решение в пространстве газодинамического конструирования (157). 3. Алгоритм конструирования (158). 4. Альтернативное описание алгоритма (160). 5. Заключительные замечания (161).)
      • 3.4. Процедуры конструирования
        (1. Процедура дополнения. Организация несущей способности летательного аппарата (162). 2. Построение модельной формы ВКС с постоянной относительной толщиной (163). 3. Об условии непротекания (164). 4. Конфигурация ВКС с переменной по длине относительной толщиной (165). 5. Гиперзвуковая конфигурация ВКС (167). 6. Процедура дополнения. Тиражирование частей летательных аппаратов (169). 7. Создание продольного аэродинамического момента (171). 8. Предельные переходы (172). 9. Оценка вязкого трения (176).)
      • 3.5. Технология конструирования летательного аппарата в системе «цель — объект — исследование»
        (1. Цель вычислительного моделирования воздушно — космических систем (177). 2. Объект исследования (177). 3. Основная задача (178). 4. Заключение (179).)
      • 3.6. Конструирование отдельных элементов воздушно — космических систем и гиперзвуковых летательных аппаратов
        (1. Неравномерный внешний поток (181). 2. Сильно завихренное внешнее течение (184). 3. Конфигурации ВКС в сильно завихренном внешнем течении (188). 4. Метод касательных конусов для сильно завихренного обтекания (189). 5. Технология конструирования выходных сопел двигателей летательных аппаратов (190). 6. Использование течения от изоэнтропического источника для проектирования обтекания замыкающей поверхности (190). 7. Использование частных численных решений для описания течений в пространственных соплах ВКС (193). 8. Течение в околоосевой области (194). 9. Технология конструирования воздухозаборников для полетов со сверхзвуковой скоростью (199). 10. Моделирование течения в воздухозаборнике из неизэнтропических решений (200). 11. Модельные воздухозаборники ВКС с секторным и прямоугольным входом (203). 12. Новые технологические приемы конструирования воздухозаборников для ВКС (204). 13. Специфика применения. Процедуры сходимости для создания конвергентности течения в воздухозаборнике ВКС (206). 14. Технологический прием конструирования стреловидных воздухозаборников (208). 15. Анализ работы воздухозаборника в широком диапазоне чисел Маха полета и углов атаки (209). 16. Заключительные замечания (211).)
      • 3.7. Конструирование интегральных компоновок ВКС и гиперзвуковых летательных аппаратов
        (1. Основные определяющие параметры несущих систем при гиперзвуке (212). 2. Общие требования к интегрированной форме воздушно — космической системы (214). 3. Технология конструирования тел конечного объема с протоком (218). 4. Пространственный аналог биплана Буземана (220). 5. Модельная конфигурация ВКС с протоком двигательного тракта (221).)
      • 3.8. Литература
    • ГЛАВА 4 ОПТИМАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ
      • 4.1. Введение
      • 4.2. Элементы вариационного исчисления
        (1. Задача с подвижными концами (228). 2. Изопериметрическая задача (229). 3. Оптимальные поверхности (231). 4. Изопериметрические условия в задачах оптимизации поверхностей (232).)
      • 4.3. Вопросы управления
        (1. Метод Ритца решения задач оптимального управления (236). 2. Задачи оптимального управления с дополнительными условиями (237). 3. Расширение размерности (238).)
      • 4.4. Параметрическая оптимизация
        (1. Аэродинамическое качество гиперзвуковых летательных аппаратов (242). 2. Максимальное аэродинамическое качество (245). 3. Модель крыла с изменяемой геометрией в плане (247).)
      • 4.5. Оптимизация в аэродинамических задачах в пространстве газодинамического конструирования с кусочно-постоянным решением
        (1. Изопериметрическая задача (254). 2. Оптимизация наветренной стороны крыла (258). 3. Общая постановка вариационных задач в пространстве газодинамического конструирования в проблеме разработки ВКС (258).)
      • 4.6. Оптимизация в задачах с переменной энтропией
        (1. Степенная ударная волна (261). 2. Влияние завихренности на силовые характеристики модельной конфигурации ВКС (263). 3. Сравнение с V-образными крыльями (264).)
      • 4.7. Вариационные задачи с кинематическими связями
        (1. Постановка задачи и проблема кинематических связей (267). 2. Корректность математических постановок вариационных задач при использовании эмпирических методик (270).)
      • 4.8. Литература
    • ГЛАВА 5 РОЛЬ И МЕСТО ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА И ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ В ПРОБЛЕМЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
      • 5.1. Введение
        (1. Традиционное значение (274). 2. Круг задач, решаемых в эксперименте и натурных полетах (275). 3. Новая роль (278).)
      • 5.2. Трубный эксперимент
        (1. Задачи и цели экспериментальных исследований (280). 2. Ограничения экспериментальных результатов (284). 3. Направления экспериментальных работ (285). 4. Трубные испытания моделей ВКС с двигателем (285). 5. Особенности методики исследований протоков воздушно — реактивных двигателей (287).)
      • 5.3. Летные испытания
        (1. Направления исследований при натурных полетах (289). 2. Дополнение полетных и экспериментальных исследований в аэродинамических трубах (293). 3. Результаты оценочных экспериментов (294). 4. Испытания моделей с закрытым протоком (295). 5. Испытания моделей с открытым протоком (296).)
      • 5.4. Литература
  • Заключение
  • Библиография
Дата обновления 26/12/2002 Webmaster