高超声速滑翔飞行器锐边化气动隐身一体化设计

隐身性能是影响高超声速武器作战效能的关键指标之一，为提高高超声速滑翔飞行器的生存及突防能力，以HTV-2飞行器为初始外形，引入锐边化设计思想，提出一种兼具良好隐身性能的气动外形。首先采用CFD数值模拟和高频近似算法，对初始外形气动特性及隐身特性进行评估。接着通过截取重要截面轮廓线，在轮廓线上均匀选取控制点。最终将离散点重构成三维外形，设计了一种锐边化飞行器外形。在此基础上计算评估了锐边化外形的升阻特性及雷达散射截面（RCS）。与原外形对比可知锐边化外形气动性能变化较小，气动力系数变化量不超过7%；同时在主要威胁区域（即俯仰角±30°、偏航角±60°角域）内飞行器的RCS均值显著降低，平均降幅超20%。此外为消除边缘绕射的影响，通过倒圆角的方式对锐边化外形的棱边进行了圆润化处理，实现了主要威胁区域内RCS均值的进一步减缩，平均降幅超过60%。此外进一步研究了在不同位置倒圆角及圆角半径对飞行器隐身特性的影响。结果表明在尾部截面倒圆角能较大程度改善飞行器的隐身特性，圆角半径与飞行器特征长度之比为1.35%时较佳。     

基于离散伴随方程的三维雷达散射截面几何敏感度计算

针对有限差分法计算雷达散射截面（RCS）梯度效率低，采用高精度雷达散射截面评估时计算代价高的问题，提出了一种基于麦克斯韦积分方程离散伴随方程的RCS梯度高效计算方法。基于伴随方程的梯度计算可以通过一次雷达散射截面求解、一次伴随方程求解获得RCS关于所有设计变量的梯度。其中麦克斯韦积分方程离散伴随方程的形式与原方程基本一致，可以采用矩量法（MOM）及多层快速多极子算法（MLFMA）求解。伴随方程求解计算量与直接雷达散射截面评估基本一致，存储量在直接雷达散射截面评估的基础上增加不明显。通过双椎体模型、导弹模型对基于矩量法、多层快速多极子算法的伴随梯度进行验证，证明了基于伴随方法的RCS梯度计算可以实现复杂外形中RCS梯度的高效、高精度求解，为基于梯度的高精度气动/隐身一体化优化提供了基础。     

飞机隐身气动一体化设计软件简介

本文介绍了飞机隐身与气动外形一体化设计研究的初步成果，编制了一个供飞机初步设计用的兼顾气动力与雷达散射截面的程序软件，可求出复杂外形飞机的气动力特性与雷达散射截面，并可将飞机外形和计算结果可视化，在给定的约束条件与气动力要求下，该软件可找出ＲＣＳ最低的外形。     

类C-HGB布局锐边化气动隐身优化设计

C-HGB （Common Hypersonic Glide Body）作为美国现今试验成功率最高的高超声速滑翔飞行器已被美国防部列入重点发展项目，并预计发展为三军通用武器。本文针对此类"球+双锥+弹翼"的气动外形和隐身性能进行了研究。采用考虑交互作用的正交设计进行了多约束下参数敏感性分析，并采用改进的基于DE差分变异算子的具有自适应学习机制的优化算法进行气动优化，对优化后的外形采用简单高效的锐边化设计，在提高升阻比的同时可降低雷达散射截面积，极大提高突防能力。锐边设计改变了弹体部分表面温度分布，降低制造成本的同时对热防护系统的设计和红外隐身具有一定积极意义。结果表明：锐边化设计可以得到较好的气动隐身性能，是未来高超声速滑翔飞行器的潜在设计方案。     

翼型外形高气动效率/低可探测性的优化

 采用ｖａｎＬｅｅｒ矢通量分裂格式求解Ｅｕｌｅｒ方程的方法计算了绕翼型的气动特性;采用矢通量分裂方法计算了绕翼型的时域电磁散射场特性及雷达散射截面积（ＲＣＳ）;采用一种简单而有效的数值优化方法对流场解和电磁场解进行了翼型外形高气动效率／低可探测性的优化计算。算例结果表明,本方法提供了一种对翼型既可作气动优化设计亦可进行多学科综合设计的有效工具。     

“X”型布局锯齿唇口进气道的超声速飞行器气动与隐身一体化研究

针对"X"型布局超声速飞行器气动外形与隐身性能一体化设计研究,采用标准k-ωSST湍流模型和多层快速多极子(MLFMA)数值计算方法,对比分析了有/无锯齿进气道唇口飞行器流动机理和散射机理,获得了有/无进气道唇口的气动性能和飞行器的雷达散射截面(RCS)。研究结果表明:在入射频率15GHz时,采用锯齿外形进气道唇口的飞行器在垂直极化(VV)和水平极化方式(HH)时能够降低飞行器的RCS;在锯齿区域附近出现大量的小尺度激波和涡流结构,扰乱了进气道正常流动;无锯齿时,进气道流量系数较大,其次是锯齿角度为90°外形,锯齿角度为45°时进气道的流量系数相对最小,主要是因为锯齿角度45°时的进气道进口泄漏量相对较小;得到了无锯齿时进气道的总压损失最小,同时,无锯齿进气道唇口飞行器的阻力系数相对较小。     

武装直升机机身与旋翼的RCS计算与分析

基于物理光学法的电磁散射计算方法对武装直升机机身和旋翼的雷达散射截面进行计算,并对武装直升机外形隐身设计进行分析。该方法多用于计算复杂目标的雷达散射截面的估算。本文对两种武装直升机机身建模并进行了雷达散射截面的仿真计算。计算结果表明II型武装直升机机身的隐身设计在头向和尾向大大降低了RCS,使得雷达对隐身目标的总体可探测距离减小。本文还利用物理光学法和准静止法计算和分析了直升机旋翼的时域和频域雷达散射。     

气动与隐身性能计算精度对飞行器设计的影响

将计算精度高的流场和电磁场求解算法引入到飞行器外形多目标优化设计中,研究了气动特性和雷达散射截面算法计算精度对外形设计结果的影响.以无人机外形气动与隐身一体化设计为例的研究结果表明,低精度优化设计的外形在实际应用中难以获得预期的性能,采用高精度计算模型的优化设计可以获得性能更优的外形.     

亚声速翼身融合无人机概念外形参数优化

为了兼顾翼身融合（BWB）布局无人机（UAV）的气动、隐身和结构重量要求,应用优化方法研究了某亚声速翼身融合无人机概念方案的外形设计问题。外形优化设计流程包括全机参数化几何外形模型、气动分析、机翼根部弯矩计算、雷达散射截面（RCS）分析、代理模型的建立和外形参数优化计算。选择了三种不同优化目标研究翼身融合无人机外形优化问题：①未配平状态升阻比最大;②配平状态升阻比最大;③配平状态升阻比尽量大和机翼弯矩尽量小。通过优化结果的对比分析,揭示了配平约束和机翼弯矩目标对优化设计结果的影响。研究结果表明：计入配平约束能够有效提高配平升阻比;将配平状态升阻比尽量大和机翼根部弯矩尽量小作为优化目标能够获得合理的优化外形。     

底部形状对钝锥体模型气动与电磁散射性能的影响

开展了飞行器气动与隐身综合特性数值研究。分别利用时域有限差分法和数值求解N—S方程的方法对飞行器的电磁散射与气动特性进行了数值模拟，研究了钝锥体模型底部形状对其雷达散射截面（RCS）和零升阻力的影响。由数值计算结果可知：合理地改变钝锥体模型底部形状，可以降低模型的RCS。并且，随着椭球体轴的长度或锥体高度的增加，模型的RCS逐渐减小。当飞行马赫数为5．0，高度为20km时，底部形状为椭球体或锥体的模型，随着椭球体轴的长度或锥体高度的增加，模型的零升阻力略有下降。     

飞翼布局隐身翼型优化设计

针对飞翼布局设计中气动与隐身设计矛盾更为突出的问题,采用高精度气动和隐身计算方法,建立了基于Parsec参数化方法、径向基函数（RBF）神经网络、Pareto遗传算法和松散式代理模型管理方法的翼型多目标优化设计平台。根据飞翼布局内外翼不同功能和特点,确定了内外翼翼型不同的优化设计目标和约束条件,开展了兼顾气动与隐身性能要求的翼型综合优化设计研究。结果表明：对兼顾气动与隐身性能要求的飞翼布局,内翼段翼型主要通过弯度、前缘半径、尾缘角及厚度等设计,减小低头力矩和重点方位角的雷达散射截面（RCS）均值。外翼段翼型上表面的几何形状对跨声速气动效率的影响很大,应通过上表面设计提高跨声速气动效率,重点方位角RCS均值的减小则通过下表面设计实现。某些翼型参数对气动和隐身性能均有较大影响,但作用相反,应作为综合优化设计的主要设计参数,并采用不同的优化设计策略。Pareto方法给出的前沿阵面可为飞翼布局的三维设计提供更丰富的信息。     

雷达俯视角对轴对称喷管测试RCS影响研究

为了研究雷达位置以及雷达波段对于轴对称排气系统电磁散射特性的影响,采用步进频率测试系统在暗室中测试了轴对称排气系统的后向雷达散射截面积(RCS);分析了俯视角对轴对称排气系统后向电磁散射特性的影响。试验结果表明:随着俯视角的增大,轴对称喷管的后向RCS会随之减小,在15°俯视角下排气系统的RCS是0°角下的30%;在不同频段下轴对称喷管的电磁散射特性基本相似。     

平面埋入式进气道的电磁散射特性

 对一种平面埋入式进气道在Ku波段选择入射频率15 GHz情况下进行了电磁散射特性的实验和仿真研究,取得了平面埋入式进气道雷达散射截面（RCS）随方位角、迎角和终端的变化规律。研究结果表明: (1)平面埋入式进气道布局的导弹模型在水平极化终端为风扇时±60°RCS均值为-27.42 dBsm,垂直极化为-28.50 dBsm是一种隐身方案;(2)迎角变化对埋入式进气道RCS的影响不大,在-5°~10°的迎角范围内RCS均值的变化不大于4 dB;(3)运用时域有限差分法(FDTD)计算所得的RCS随方位角变化曲线与实验曲线趋势基本一致,±60°均值误差在1 dB左右。     

低RCS飞行器外形设计实践

 在鸭式布局的基础上 ,对飞行器各部件及部件间的连接方式进行了外形隐身设计。对初步形成的鸭翼 -翼身融合体改变机身头部形状和立尾配置等进行 RCS优化。给出了飞行器各种状态下的 RCS平均值和迎头± 45°区内的 RCS值。测试结果表明 ,尖头机身、 30°双立尾 (立尾与垂直平面成± 30°角 )的鸭翼 -翼身融合体的 RCS值最小。对 RCS优化后的外形 ,风洞测力试验表明其气动性能也较好 (最大升阻比达到 8,失速迎角超过 2 6°)     

关于低RCS目标外形优化中目标函数的确定

在分析了低RCS目标外形优化中现有的两种目标函数的局限性的基础上,根据雷达检测概率与目标RCS分布之间的关系,提出了一种新的目标函数,即目标在威胁区域内其RCS大于规定的临界RCS的概率。算例表明本文所提出的目标函数比现有的目标函数更为有效,适用范围更广。为低RCS目标外形优化设计以及气动与隐身一体化设计提供了一个合理而有效的目标函数。     

变前掠翼气动布局纵向性能研究

发展和改进了一种变前掠翼气动布局及其设计思想,设计了集战斗和轰炸于一体的通用任务模式,并根据设计指标和翼身融合技术初步设计了变翼几何外形。采用N-S方程计算了该几何外形不同构型的纵向气动性能,分析了机翼前掠角对不同任务模式下纵向气动性能的影响。结果表明,变前掠翼气动布局可通过改变机翼前掠角来获取最佳纵向气动性能。     

非合作目标动态RCS仿真方法

针对非合作目标难以开展动态测量的问题,根据空气动力学原理提出了一种非合作目标动态雷达散射截面（RCS）仿真方法。该方法首先建立测量背景下典型飞行航路模型,然后计算雷达视线在机体坐标系上的时变姿态角。根据姿态角开展电磁计算,获得F-117A隐身攻击机在侧站平飞、背站拉起、对站俯冲、侧站盘旋4种航路下的动态RCS数据。着重分析了动、静态RCS特性在起伏目标检测性能评估上的差异。结果表明：静态RCS特性难以反映目标运动时真实的雷达特性,利用静态数据描述目标特性可能导致错误结论,而文中方法获取的动态RCS数据可以提高结论的完整性和可信度。     

近耦鸭式布局干扰气动力实验研究

 使用能单独测量鸭翼部分气动力的“鸭翼天平”及全机气动力天平,对一可组拆的鸭式布局模型进行了干扰气动力的实验研究。发现在α<20°时鸭翼与主翼间的干扰是不利的,使升力下降。α>32°时干扰变得有利。α=32°时干扰升力可占到总升力的24％。若主翼为前掠翼,构成鸭式布局的气动特性更好。     

不同出口形状S形喷管的RSC特性

采用超椭圆方法、面积变化规律及中心线变化规律设计了三种出口形状的S形喷管,结合等效边缘电磁流（EEC）法和迭代物理光学（IPO）法开发了计算程序;EEC法分析喷管出口边缘产生的绕射场对S形喷管的雷达散射截面（RCS）的贡献;IPO法分析S形喷管腔体产生的散射场对S形喷管RCS的贡献;通过对两种电磁场所产生的电磁波的矢量叠加计算S形喷管的总RCS;在此基础上,研究了3种不同出口形状的S形喷管的RCS特性.结果表明:出口形状对RCS影响较大;圆形出口是3种S形喷管中RCS最小的;相互错位的锯齿修型可有效减小喷管的RCS;喷管的S形结构设计使得全局探测角内总散射场的RCS不关于0°探测角对称,并使得最大RCS移向正探测角.      

大型客机后缘铰链襟翼巡航变弯度气动性能数值研究

更高、更快、减阻是飞机设计三大永恒的追求。传统的固定翼飞机在进行优化设计时需兼顾各种飞行条件,寻求一个折中的最优解,而变弯度机翼的概念能有效解决这个问题,符合上述飞机设计的三大追求。着重研究大型宽体客机后缘襟翼刚性变弯度对巡航气动效率及跨声速抖振边界的影响。首先基于下垂式铰链襟翼机构,编制了机构引导下带扰流板联合偏转的后缘襟翼运动仿真程序,以自动生成不同襟翼偏角的巡航构型。在此基础上对巡航构型进行非稳态气动计算,获得跨声速区机翼抖振边界。以该抖振边界作为约束条件,以襟翼偏角、迎角为双变量,获得Cl-K关系图,得到最优升阻比曲线。本文中襟翼偏角变化为0°~±3°,间隔1°;迎角范围为-2°~5°,间隔1°。计算结果表明,变弯度构型较不变弯度构型升阻比有所提高,抖振边界约提高10%;变弯度构型可提高不同设计点的气动效率,实现减阻省油;跨声速区机翼抖振边界的提高扩大了飞行包线,使得飞机能飞得更高、更快。