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高超声速巡航飞行器乘波布局设计研究

彭钧  
【摘要】: 乘波体设计方法是近年来发展较快的高超声速飞行器设计方法之一。由于其具有一系列独特的优点,成为高超声速巡航飞行器气动布局的首选方案。本文重点针对多因素多目标综合优化设计、乘波布局的上下表面整体优化及其与总体/结构的相容性、乘波布局的低速性能、操稳特性设计等乘波布局实际应用的关键技术进行了研究,发展和完善现有的高超声速乘波飞行器设计技术,初步形成了一套实用化系统化的高超声速巡航乘波飞行器布局设计方法。 乘波体外形设计的关键在于优化。在乘波体外形设计参数量化方法方面,本文提出了乘波体展向角的概念,用前缘型线(FCT)和展向角可以实现对以楔形和圆锥为生成体的乘波体设计空间的完全表达。设计空间的完全表达,为实现全面充分优化创造了条件。 在乘波体下表面优化设计方面,本文对设计实用的乘波体的选择优化目标应考虑的因素、合理的优化约束条件等进行了研究。由于乘波体外形扁平,粘性阻力在阻力中占有显著地位,必须进行考虑粘性阻力的优化才能得到好的性能;其设计结构效率相对较低,在获得高升阻比性能的同时会付出较大的结构重量代价。因此本文在构建优化目标函数时进行了相应的分析,在考虑到了与外形相关的结构重量对总体性能的影响,外形与巡航升阻特性、低速性能、操稳特性的关系,乘波外形与总体/结构相容性等方面,实现对外形整体的多因素综合优化,从而得到最佳的综合性能。在下表面的设计参数空间进行优化时,在SIMPLEX方法的基础上进行了改进,增强了全域搜索的能力。采用这一整套的综合优化方法,以M4.5巡航的乘波体为实例进行了综合优化设计,得到了很好的效果。 作为乘波体上表面全三维优化的理论基础,本文对全位势方程进行了摄动分析,得到了一般无旋速度场摄动方程及其守恒形式、积分形式和通量裂解形式。在此基础上,进行了二维零攻角对称状态超声速翼型和有攻角时的超声速翼型摄动方程数值解和变分法优化验证。 本文提出了以摄动理论和变分法为基础的上表面优化设计方法,并研究了上下表面优化的相互影响及优化时的耦合方法,从而实现乘波体整体气动性能的综合优化。由于乘波体下表面可以从已知流场出发进行反设计,确定其流场参数相对简单,对其进行优化也容易实现。但乘波体上表面的流场没有这样的特性,因此乘波体上表面的优化比下表面要复杂得多。以小扰动理论和变分法相结合,实现了上表面的全三维优化,拓展了设计空间。综合优化的结果与理论预测相当接近,说明对优化方法的分析是正确的,优化的结果是令人满意的。 本文在最后一章研究了后掠激波与附面层干扰的详细机理及其对进气道设计有利影响,为乘波飞行器的先进高超声速进气道设计提供了理论基础。


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