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新概念宽速域飞行器气动外形设计与优化

新概念宽速域飞行器气动外形设计与优化

作者：李世斌国防科学技术大学

学位级别：硕士

论文以临近空间宽速域飞行器气动布局为研究对象，创新性地提出了两类宽速域飞行器设计方案——“串联”方式与“并联”方式，设计了新概念宽速域飞行器气动构型，采用理论分析和数值仿真方法考察了宽速域飞行器的气动性能。对论文中... 详细信息

论文以临近空间宽速域飞行器气动布局为研究对象，创新性地提出了两类宽速域飞行器设计方案——“串联”方式与“并联”方式，设计了新概念宽速域飞行器气动构型，采用理论分析和数值仿真方法考察了宽速域飞行器的气动性能。对论文中采用的数值仿真方法、试验设计法和优化算法等基本理论进行了比较详细的介绍，并针对相关算例进行了数值验证，发现数值仿真结果与试验数据吻合得较好，数值仿真方法的可靠性较高。详细介绍了串并联两种新概念宽速域飞行器的设计理论。依据“串联”方案的设计理论，构建了宽速域“串联”飞行器的物理模型，并分析了其在宽速域范围内的气动性能，获得了宽速域“串联”飞行器气动特性随攻角及来流马赫数的变化规律。在初步掌握其气动特性的基础上，考察了连接段长度、前体厚度及后体宽度对宽速域“串联”飞行器气动特性的影响。研究发现，宽速域“串联”飞行器能够改善基准构型飞行器在宽速域范围内的整体气动性能，选择合适的连接段构型可以使宽速域飞行器的气动性能更优，达到“串联1+1>2”的效果。在连接段构型的参数选取中，连接段长度对宽速域“串联”飞行器气动性能的影响起主导作用，前体厚度和后体宽度对其气动性能的影响不太明显。在“并联”设计方案基础上，设计了宽速域“并联”飞行器的物理模型，分析了其在宽速域范围内的气动性能，得到了宽速域“并联”飞行器的气动性能随攻角及来流马赫数的变化规律。在对其气动特性与流场特征分析基础上，设计了多种“并联”组合方式，研究了前缘线生成方式、设计马赫数与上端面后缘线对宽速域“并联”飞行器气动性能的影响。研究发现，“并联”方式能够很好地提高飞行器在宽速域范围内的气动性能，采用“低+高+低”模式设计的宽速域“并联”飞行器在宽速域范围内的气动性能更优，高马赫对应的乘波体前缘线对其气动性能起主要作用，当设计马赫数之间相差为定值时，基准构型的设计来流马赫数对其宽速域“并联”飞行器的气动性能影响甚微，合适的后缘线能够提高其气动性能。在分析机翼对高超声速飞行器气动特性影响基础上，针对机翼对宽速域“并联”飞行器气动性能的影响进行了初步考察。研究发现，带翼宽速域飞行器与“黑雨燕”外形类似，升阻比受翼型形状的影响比较明显，增加机翼可以改变俯仰力矩特性，具有乘波特性的翼型能够给机体提供较高的升力，有助于提高升阻比。比较全面地对比研究了宽速域“串联”与“并联”飞行器两种设计方案的特点，在此基础上，采用试验设计法与数值仿真相结合的方法，考察了宽速域“串联”飞行器结构参数对其气动性能尤其是升阻比的影响，选取不同的前体缩放比例、后体截取比例和连接段长度作为设计变量，升阻比作为目标变量，着重对其宽速域“串联”飞行器气动构型进行了优化设计，并将优化结果与数值仿真结果进行了对比分析。研究发现，宽速域“并联”方案气动性能略优于“串联”方案，但“串联”组合方式更易参数化选取，模型生成容易，可控性强，便于优化，采用正交试验设计获得的优化结果与数值仿真结果吻合较好。

关键词：宽速域飞行器气动性能组合优化设计试验设计数值仿真升阻比连接段

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新型宽速域高超声速飞行器气动特性研究

固体火箭技术 2012年第5期35卷 588-592页

作者：李世斌罗世彬黄伟柳军金亮国防科学技术大学高超声速冲压发动机技术重点实验室长沙410073

为设计一种新型宽速域滑翔飞行器,基于无粘锥导乘波设计理论,设计了Ma=4和Ma=8状态下的乘波构型,并将其进行"串联"拼接,得到一类新型宽速域乘波飞行器。采用数值模拟方法对此类飞行器的气动特性进行了研究,得到其流场特征和气动特性。... 详细信息

为设计一种新型宽速域滑翔飞行器,基于无粘锥导乘波设计理论,设计了Ma=4和Ma=8状态下的乘波构型,并将其进行"串联"拼接,得到一类新型宽速域乘波飞行器。采用数值模拟方法对此类飞行器的气动特性进行了研究,得到其流场特征和气动特性。结果表明,采用新型"串联"高超声速乘波飞行器,其气动性能在宽速域范围内比单马赫数条件下的乘波飞行器气动性能更优。"串联"乘波体的升阻比随马赫数的增加而变大,当Ma>8时,其气动特性变化不明显,最大升阻比接近3.2,在设计马赫数范围内,升阻比不低于2.6。升阻比随攻角的增加先变大后减小,在3°攻角时升阻比最大。在Ma=6时,基准模型-1的最大升阻比为4.714,"串联"乘波体的升阻比达到3.48。

关键词：宽速域飞行器气动性能升阻比乘波体

马赫数离散方式对吻切锥变马赫数乘波飞行器构型和气动性能的影响

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航空学报 2020年第12期41卷 168-184页

作者：赵振涛黄伟金宏盛王宏董媛平中国人民解放军96755部队260分队通化134000 国防科技大学高超声速冲压发动机技术重点实验室长沙410073

为进一步认识吻切锥变马赫数乘波飞行器(Osculating Cone Variable Mach number WaveRider,OCVMWR)设计方法、拓展乘波飞行器在空天飞机等可重复使用飞行器设计领域的实用性,利用数值仿真方法对比了设计马赫数离散方法对吻切锥变马赫数... 详细信息

为进一步认识吻切锥变马赫数乘波飞行器(Osculating Cone Variable Mach number WaveRider,OCVMWR)设计方法、拓展乘波飞行器在空天飞机等可重复使用飞行器设计领域的实用性,利用数值仿真方法对比了设计马赫数离散方法对吻切锥变马赫数乘波飞行器几何构型和气动性能的影响。为确保开展的研究具有代表性,从函数的(非)线性、单调性和凹凸性3个方面出发,选取了线性递减函数、正弦函数、余弦函数、1-正弦函数和1-余弦函数作为给定设计马赫数区间的离散方法。研究结果表明,设计马赫数离散方法的不同特性均对OCVMWR的几何构型和气动性能产生了不同程度上的影响;其中,单调性的影响最大。具体来说,离散方法具有单调递增性质的OCVMWR构型比具有单调递减性质的OCVMWR构型在构型中间处更长、更厚一些,而在构型边缘处则更窄一些;同时,其升阻比更低。

关键词：乘波飞行器吻切锥宽速域飞行器变马赫数马赫数离散方式气动性能

一种组合动力飞行器模态转换过程轨迹优化与控制方案

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宇航学报 2024年第3期45卷 443-451页

作者：刘凯张永亮聂聆聪大连理工大学力学与航空航天学院大连116024 北京动力机械研究所北京100074

为应对组合动力飞行器涡轮/冲压发动机模态转换过程中容易出现的推力陷阱问题,开展了组合动力飞行器模态转换阶段飞行/推进一体化保护控制研究。该研究利用组合动力爬升段飞行轨迹优化方法,解决模态转换过程中组合发动机总推力无法满足... 详细信息

为应对组合动力飞行器涡轮/冲压发动机模态转换过程中容易出现的推力陷阱问题,开展了组合动力飞行器模态转换阶段飞行/推进一体化保护控制研究。该研究利用组合动力爬升段飞行轨迹优化方法,解决模态转换过程中组合发动机总推力无法满足平飞加速需求的推力陷阱问题。结合轨迹线性化控制方法,完成了宽速域飞行器/发动机一体化轨迹跟踪控制设计,利用迎角、油门等变量的协同调节实现轨迹跟踪控制。仿真结果表明,轨迹优化策略能够在一定程度上克服模态转换过程中的推力不足问题,一体化轨迹线性化控制方法可以有效实现爬升轨迹跟踪,避免模态转换过程对组合动力飞行器飞行任务造成的不利影响。

关键词：宽速域飞行器涡轮/冲压发动机飞行/推进一体化控制轨迹优化轨迹跟踪控制

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自由造型的宽速域二元进气道优化设计

火箭推进 2022年第6期48卷 92-100页

作者：王健磊牟桓龚春林西北工业大学航天学院陕西省空天飞行器设计重点实验室陕西西安710072

二元进气道常用于宽速域吸气式飞行器,相比于巡航类的飞行器,宽速域飞行器的飞行速域较大,进气道要兼顾高低速条件下的飞行要求存在一定的困难。提出了一种自由造型的二元进气道设计方法,采用类别形状函数法对二元进气道的压缩面进行参... 详细信息

二元进气道常用于宽速域吸气式飞行器,相比于巡航类的飞行器,宽速域飞行器的飞行速域较大,进气道要兼顾高低速条件下的飞行要求存在一定的困难。提出了一种自由造型的二元进气道设计方法,采用类别形状函数法对二元进气道的压缩面进行参数化建模,将函数的控制参数作为优化变量直接对压缩面进行优化,设计时无须选择设计点。同时,根据进气道吸入流量和发动机需求流量之间的匹配关系,提出了一种适用于宽速域二元进气道优化设计的目标函数。结果表明,优化得到的二元进气道在马赫数2.5到8的范围内总压恢复系数和流量系数均能满足设计要求。

关键词：宽速域飞行器二元进气道自由造型优化设计