高超声速“准乘波体”构型优化设计方法

乘波体构型以其非常高的气动效率,在高超声速飞行器设计中有着广阔的应用前景.基于各种基准流场的乘波体生成方法的发展,使得在飞行器设计过程中可以根据不同需求选择不同类型的乘波体构型.但是,乘波体构型一般难以直接满足容积率、配平、稳定性等基本的飞行器设计工程需求.针对这一情况,本文结合遗传算法和考虑强黏性干扰效应影响的气动力工程算法,提出了一种"准乘波体"构型优化设计方法.所谓"准乘波体",是指在外形生成过程中保留了乘波体的前缘线,然后对于不同的纵向截面,以相同的型线方程从前缘点出发生成下表面.型线方程以一组幂函数为基函数,通过改变基函数系数即可以不同工程需求为约束条件,借助遗传算法优化获得最优构型.分别获得了无约束条件、以容积率为约束和以在设计点自配平且纵向静稳定为约束的最优"准乘波体"构型.通过CFD数值模拟对相应构型的气动力特性进行了评估,结果表明:"准乘波体"构型流场能够保持较好的"乘波"特性且下表面压力分布较为均匀,可以获得比原乘波体更高的升阻比;通过引入不同约束条件获得的最优"准乘波体"构型,可以在一定范围内灵活地改变容积率,并且在优化过程中可以实现在设计点处满足配平和纵向静稳定要求.     

乘波布局高超声速飞行器纵向静稳定特性分析

高超声速滑翔飞行器稳定性设计方法的研究具有重要应用价值.乘波体构型滑翔飞行器由于没有平尾且飞行在高空、高超声速条件下,其纵向静稳定特性与常规飞机有很大不同,对此传统飞行力学并无相应设计依据.在相切锥乘波体理论基础上,本文建立了计及流向一阶导数和二阶导数的微元计算模型,结合牛顿法、活塞理论、切楔/切锥法的理论推导与CFD数值计算,研究了典型二维剖面在高超声速、宽攻角范围下的纵向静稳定特性,从理论角度证明了沿流向＂下凸＂的流线特征有利于保证纵向静稳定,而＂上凹＂形状特征不利于纵向静稳定,该结论通过二维和三维算例得到了验证.以上述分析为基础,解释了基于锥型流的乘波体难以满足纵向静稳定性的物理原因,以及俯仰配平舵面可能对纵向静稳定性带来的影响,并提出了相应解决方案.进一步分析表明该结论适用于宽马赫数和宽高度范围,且黏性作用并不改变上述规律,相关结论可作为高超声速滑翔飞行器气动设计的参考.