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第1章 引言1

1.1 高超声速飞行器的三种参考类型2

1.2 气动热力学及飞行器的参数定义和发展3

1.2.1 相对于数据不确定度的设计灵敏度和裕度4

1.2.2 气动热力学模拟手段的不足5

1.3 本书的范围和内容7

参考文献8

第2章 飞行轨道简述11

2.1 有翼和无翼再入飞行器的飞行轨道12

2.1.1 概述12

2.1.2 制导目标、轨道控制变量及系统与运行约束15

2.1.3 作用在再入飞行器上的力20

2.1.4 平衡滑翔轨道22

2.1.5 平衡滑翔轨道：定性结果25

2.1.6 实例研究1：RV-NW飞行器的轨道30

2.1.7 实例研究2：RV-W（X-38）飞行器的轨道33

2.2 巡航和加速飞行器的飞行轨道37

2.2.1 概述37

2.2.2 制导目标、轨道控制变量及系统与运行约束38

2.2.3 作用于巡航和加速飞行器上的力40

2.2.4 实例研究3：CAV（S？NGER）的轨道42

2.3 行星飞行一般方程45

2.4 习题51

参考文献52

第3章 有翼再入飞行器气动热力学设计问题56

3.1 有翼再入飞行器气动热力学问题概述56

3.1.1 气动热力学现象56

3.1.2 主要模拟问题：高马赫数与总焓效应60

3.2 有翼再入飞行器气动热力学问题的特殊趋势61

3.2.1 驻点压力61

3.2.2 迎风面速度场的拓扑结构64

3.2.3 升力产生68

3.2.4 底部压力与阻力69

3.3 有翼再入飞行器的气动性能数据70

3.3.1 航天飞机轨道器71

3.3.2 “赫尔姆斯”（HERMES）航天飞机构型73

3.3.3 HOPE-X航天飞机构型76

3.3.4 X-34构型79

3.3.5 X-38构型81

3.3.6 HOPPER/PHOENIX构型84

3.3.7 小结88

3.4 飞行器的可飞性和可控性89

3.4.1 概述89

3.4.2 有翼再入飞行器配平与稳定性90

3.5 航天飞机轨道器高超声速俯仰力矩异常93

3.5.1 配平情形与俯仰力矩异常的可能原因94

3.5.2 轨道器迎风面上的压力系数分布95

3.5.3 压心前移101

3.6 基于Oswatitsch马赫数无关原则的高超声速俯仰力矩异常103

3.6.1 概述103

3.6.2 壁面压力系数分布105

3.6.3 飞行马赫数与高温真实气体效应的简单分析110

3.6.4 俯仰力矩异常再考虑与结果综述113

3.6.5 结束语114

3.7 习题115

参考文献117

第4章 有翼吸气式飞行器的气动热力学设计问题123

4.1 巡航和加速飞行器的气动热力学问题概述124

4.1.1 气动热力学现象124

4.1.2 主要模拟问题：粘性效应131

4.2 CAV/ARV气动热力学的特殊趋势134

4.2.1 驻点压力134

4.2.2 前体迎风侧速度场的拓扑结构135

4.2.3 升力产生135

4.2.4 底部压力和阻力135

4.2.5 气动力性能137

4.3 实例：“桑格尔”参考方案的飞行参数和空气动力系数138

4.4 基本布局考虑：高度耦合的升力和推进系统146

4.4.1 几种飞行器外形的考虑146

4.4.2 气动热和推进系统力的计算148

4.5 气动热机体／推进一体化问题157

4.5.1 前体效应157

4.5.2 平面与圆锥前体下侧比较158

4.5.3 前体预压缩的基本原理160

4.5.4 净推力对预压缩的敏感性163

4.5.5 进气道斜板流166

4.6 乘波体构型170

4.6.1 概述170

4.6.2 设计方法171

4.6.3 乘波体设计实例176

4.6.4 粘性效应对气动性能的影响180

4.6.5 非设计和低速性能182

4.6.6 静稳定性考虑188

4.6.7 乘波体——实用的飞行器？189

4.7 习题192

参考文献194

第5章 无翼再入飞行器的气动热力学设计问题200

5.1 概述与进入方案201

5.1.1 空气动力制动202

5.1.2 空气动力捕获203

5.1.3 弹道飞行—弹道系数203

5.2 总体布局205

5.2.1 弹道式探测器205

5.2.2 升力式返回舱207

5.2.3 双锥体211

5.3 RV-NW的配平条件和静稳定性213

5.3.1 帕克（Park）公式213

5.3.2 升力式返回舱的性能数据214

5.3.3 飞行控制与质心的作用219

5.3.4 气动特性对外形变化的敏感性220

5.3.5 寄生配平224

5.3.6 双锥体的性能数据225

5.3.7 高温真实气体效应对力和力矩的影响230

5.4 动稳定性232

5.4.1 动不稳定性的物理概念233

5.4.2 角运动方程236

5.4.3 试验方法240

5.4.4 数值方法244

5.4.5 典型试验结果245

5.5 热载荷249

5.5.1 OREX亚轨道飞行249

5.5.2 ARD亚轨道飞行251

5.5.3 “阿波罗”近地轨道（LEO）飞行和探月返回飞行253

5.5.4 VIKING类外形的技术研究254

5.6 习题260

参考文献261

第6章 稳定、配平和控制装置266

6.1 控制面气动热力学问题概述266

6.1.1 襟翼效率：来流流场的影响267

6.1.2 高超声速飞行过程中的襟翼偏转模式268

6.2 气动配平和控制面的来流269

6.2.1 来流总特性269

6.2.2 来流熵层274

6.2.3 来流边界层278

6.3 斜面流的渐近特性研究283

6.3.1 斜面流的基本类型283

6.3.2 壁面压力特性286

6.3.3 表面热状态特性296

6.3.4 壁面剪切应力特性307

6.4 铰链线缝隙流问题308

6.5 反作用控制系统的气动热力学问题312

6.6 布局研究319

6.6.1 稳定、配平和控制装置实例319

6.6.2 几何外形研究321

6.6.3 襟翼的长度与宽度323

6.6.4 稳定和控制面的容积324

6.7 结束语328

6.7.1 结果总结329

6.7.2 模拟问题331

6.8 习题332

参考文献333

第7章 力、力矩、压心、配平和稳定性一般公式339

7.1 力矩方程339

7.2 压心的一般公式342

7.3 钝头体静稳定性考虑345

7.4 细长体静稳定性考虑346

7.5 静稳定性进一步考虑348

7.6 气动力系数的坐标变换349

7.7 习题351

参考文献352

第8章 多学科设计353

8.1 多学科设计工作目的简要回顾及介绍355

8.2 流动—结构相互作用控制方程358

8.2.1 流体动力学方程358

8.2.2 结构动力学方程360

8.2.3 传热方程363

8.3 耦合过程364

8.3.1 流体力学—结构耦合气动弹性方法一365

8.3.2 流体力学—结构耦合气动弹性方法二365

8.3.3 热—流体力学—结构耦合367

8.4 耦合求解实例370

8.4.1 流体力学—结构耦合气动弹性方法一370

8.4.2 流体力学—结构耦合气动弹性方法二371

8.4.3 热—流体—结构耦合376

8.4.4 热—力—流体—结构耦合384

8.5 结论387

8.6 习题388

参考文献389

第9章 高超声速飞行器表面热状态394

9.1 飞行器表面传热395

9.2 飞行器表面热状态397

9.3 气动热模拟概述399

9.3.1 地面设备模拟399

9.3.2 数值模拟401

9.3.3 飞行试验模拟402

参考文献403

第10章 气动热力学参数确认的γeff方法及近似关系式405

10.1 RHPM+平板飞行器理论：γeff方法及弓形激波总压损失405

10.1.1 概述405

10.1.2 γeff方法：总体考虑406

10.1.3 正激波407

10.1.4 斜激波410

10.1.5 弓形激波总压损失：一维表面流参数的恢复413

10.1.6 压缩因子Z414

10.1.7 应用γeff方法获得马赫数M1趋于无限大极限状态时激波前后的结果415

10.2 输运特性417

10.3 驻点热流公式418

10.4 基于参考温度／焓方法的平板表面边界层参数421

10.4.1 参考温度／焓概念421

10.4.2 平板表面边界层厚度423

10.4.3 平板表面的壁面剪切应力和热状态424

10.4.4 交接处边界层的虚拟原点425

参考文献426

第11章 习题参考答案及解题指南429

11.1 第2章的习题429

11.2 第3章的习题430

11.3 第4章的习题433

11.4 第5章的习题435

11.5 第6章的习题438

11.6 第7章的习题440

11.7 第8章的习题441

参考文献442

附录A 气动热力学控制方程443

A.1 化学非平衡流的控制方程443

A.2 分子振动激励和电子模态的方程449

A.2.1 分子振动激励449

A.2.2 电子模态450

A.3 包括热非平衡状态的N-S方程的矢量表达式451

参考文献453

附录B 地球大气455

参考文献461

附录C 常数、单位和换算462

C.1 常数和空气特性462

C.2 单位和换算463

参考文献465

附录D 符号466

D.1 拉丁字母466

D.2 希腊字母472

D.3 上下标记475

D.3.1 上标475

D.3.2 下标475

D.4 其他符号478

附录E 术语、缩略语和缩写479

E.1 术语479

E.2 缩略语、缩写481

许可483