● 摘要
传统上由常规风洞试验或计算流体力学（CFD）得到的局部线性化的气动力系数和导数的气动分析方法割裂了气动与运动的内在联系，不能够准确描述飞行器的非定常非线性气动力和运动规律。而近30年来，随着计算机技术及CFD方法的快速发展，CFD在工程应用上也取得了长足的进步，在飞行器巡航状态计算上日趋成熟。传统方法的不足以及工程应用的迫切需求使得基于CFD的虚拟飞行数值模拟技术应运而生。这是一种将空气动力学、飞行动力学及飞行控制系统（FCS）耦合求解的方法，可以较为准确地评估飞行器的机动性能和动态品质，成为研究气动/运动/控制耦合机理、检验优化飞行控制律的新途径。
本文针对上述问题，建立了先进的计算流体力学、刚体动力学（RBD）及飞行控制系统的一体化虚拟飞行数值模拟方法，形成虚拟飞行数值模拟平台，对三角翼大振幅俯仰振荡及飞行器再入过程中的动态特性进行研究，并且对带翼导弹外形进行了虚拟飞行数值模拟研究，较早实现了带闭环控制的虚拟飞行数值模拟。
首先对CFD数值模拟方法进行了介绍，包括控制方程、空间格式、时间格式、边界条件、湍流模型等，构建了基于攻角反馈的控制系统，并对控制系统进行模化，提出了控制增益的确定方法，为带闭环控制的虚拟飞行模拟奠定基础，将CFD/RBD/FCS耦合实时求解，形成了高精度、高可靠性的虚拟飞行数值模拟软件平台。
开展大量的数值实验，计算包括无粘/粘性、定常/非定常、单体/多体、强迫运动/6DOF运动等典型算例，通过计算验证了本文发展的虚拟飞行数值方法及程序代码的正确性和可靠性。数值算例包括无粘圆柱绕流、多种翼型的跨声速静态绕流及动态失速绕流、高超声速空天飞机绕流、圆柱卡门涡街绕流及HBS弹道外形动态特性计算，另外本文还首次模拟了三个外挂物按时序依次从三维机翼投放的算例。
利用本文发展的虚拟飞行数值模拟平台对三角翼大振幅强迫运动中的动态特性进行研究，通过引入线性微分方程来预测动态气动力的变化，建立基于微分方程的非定常气动模型；采用非定常CFD方法获得了有限状态的同相及异相气动导数，结合静态的气动力数据，运用非定常气动模型对强迫俯仰振荡过程中的气动力进行了预测。
以“起源号”返回舱及HBS弹道外形为例，通过理论分析与CFD/RBD一体化数值模拟相结合的方式对这两种不同再入方式的飞行器的动态特性进行了研究，研究表明对于不同再入方式的飞行器，其升力所起的作用各不相同，平动自由度的引入对动稳定性的影响也各不相同，在进行动稳定性分析时，要考虑平动自由度的影响，最有效的方法就是采用一体化的数值模拟手段进行自由飞数值模拟。
最后采用一体化虚拟飞行数值模拟方法对带翼导弹外形进行了研究，在国内较早实现了带闭环控制的虚拟飞行数值模拟，探究了不同控制增益下的飞行器响应，分析了控制增益的影响，研究为飞行控制律的检验与设计提供了指导意见。