两级入轨（Two stage to orbit, TSTO）飞行器是未来航班化航天运输系统的重要战略规划，而高超声速级间分离是TSTO需要解决的关键科学技术难题之一。近日，中国科学院力学研究所研究团队针对并联TSTO高超声速级间分离过程中的非定常流动干扰进行了数值研究，创新性首次提出并联TSTO的纵向级间分离方案，国内外首次在激波风洞中开展较大尺度的并联TSTO主动式动态分离试验，为新一代两级入轨飞行器气动设计及多体高速安全分离问题提供理论基础与技术参考。横向分离研究成果发表在流体力学领域顶级期刊《Physics of Fluids》；纵向分离研究成果分别发表在航空航天领域顶级期刊《AIAA Journal》、《AIAA Journal of Spacecraft and Rockets》。力学所博士生王粤为第一作者，汪运鹏正高级工程师为通讯作者。

TSTO级间分离涉及到复杂的动态激波-激波干扰、激波-边界层干扰以及非定常流动与多体运动耦合等关键物理问题，是高速非定常流动的重要研究内容。两级高速分离过程中的流动现象和物理机制是TSTO安全分离的关键。

研究团队深入分析了轨道级质心位置对TSTO级间分离过程中的非定常气动干扰的影响，发现级间分离动态激波干扰主要以间隙内的多重-单重的黏性激波反射、流动分离产生的马蹄涡、I型和VI型激波干扰为主，弱激波干扰类型以及稳定的俯仰力矩奠定了安全分离的基础；发现了质心靠后时，助推级前缘（汇聚）激波-轨道级入射激波-边界层流动分离失稳（大尺度分离涡的传播和扩散运动）的正反馈流固耦合机制（图1和图2）。动态激波干扰的耦合机制双重放大激波干扰强度和流动失稳速率和大尺度分离涡运动范围，导致轨道级发生纵向翻滚以及助推级失去“乘波”特性并且气动力急剧变化，而分离失败（图3）。

考虑到上述传统的TSTO高超声速级间分离方案引起的复杂动态强激波干扰问题增加TSTO分离失败风险，力学所研究团队创新性首次提出并联TSTO的纵向级间分离方案，即轨道级沿着助推级进行小间隙分离，可以有效避免两级在高超声速分离过程中的强气动干扰，大大增加两级安全分离的可靠性，并且首次提出了Spiked TSTO气动外形应用于纵向分离的减阻方法。在JF-12复现高超声速飞行条件激波风洞对并联TSTO纵向分离方案在马赫7条件下开展了原理性试验验证（图4和图5），TSTO动态自由飞分离试验证明了纵向分离方案的安全性与可靠性。该试验为国内外首次在激波风洞中开展较大尺度的并联TSTO主动式动态分离试验，同时，针对激波风洞特种分离试验，建立了较为完备的激波风洞多体动态分离试验技术体系，测量技术获得多项国家专利。力学所发展的风洞高速分离特种试验技术方法已在国家重大任务项目中投入工程应用并获得国家航天工程部门高度评价。

论文链接：
https://doi.org/10.1063/5.0151663
https://doi.org/10.2514/1.J062135
https://doi.org/10.2514/1.A35390