基于并行CFD和优化技术的返回舱外形多目标优化设计北大核心CSCD

在给定的质心设计范围内,围绕球冠倒锥返回舱外形的高超声速气动单点静稳定性、配平升阻特性、质心横偏量的综合设计问题,提出了多点多目标优化设计数学模型。通过多目标优化设计方法结合并行数值模拟技术,对该多点多目标气动外形优化设计问题进行研究,为了加快多点数值计算进度,采用了嵌套并行方法,通过有效利用硬件资源来提高多个状态气动数值求解效率。根据以上方法给出的最优设计边界指出了返回舱单点静稳定性与配平升阻比和质心横偏量的矛盾关系,改善单点静稳定性会导致配平升阻比下降,使质心横偏量增加;反之,配平升阻比增加,质心横偏量减少都会使单点静稳定性变差。     

CSTS返回舱气动布局研究

乘员空间运输系统CSTS是欧洲正在研发的可执行近地轨道和月球轨道任务的下一代载人航天器。以CSTS返回舱为研究对象,采用正交试验设计思想,布置四因素三水平的正交数值试验,分析返回舱外形的主要几何参数对气动性能的影响规律,优选具有最大升阻比的气动外形。基于优选的外形,讨论质心位置配置对配平升阻比、静稳定性的影响规律,并分析气动性能对质心位置的敏感性,给出CSTS返回舱气动布局设计建议。     

小升阻比载人飞船返回舱的配平气动特性

本文主要介绍小升阻比载人飞船返回舱的配平气动特性。研究表明，采用返回舱重心横偏的方法，在保持对静稳定性的要求下，可以获得飞行轨迹机动控制所需的配平升阻比。返回舱飞行试验的配平气动特性可从舱内惯性平台的加速度和姿态记录数据以及轨道数据求出。风洞试验的配平气动特性数据与飞行试验结果比较之后发现，以往风洞试验得出的马赫数大于６后，返回舱的配平气动特性基本不变的结果未被飞行试验所证实。在高超声速下，随着马     

返回舱烧蚀外形对配平特性影响分析

为研究烧蚀对返回舱配平特性的影响,采用数值模拟方法计算分析了类联盟号返回舱在不同马赫数下的配平特性,同时研究了因烧蚀防热层厚度变化所引起的气动外形改变后的气动特性,尤其是配平特性的变化情况。结果表明:在高超声速段(Ma8),类联盟号返回舱的配平攻角绝对值和配平升阻比随着马赫数的增大而减小;因烧蚀防热层厚度变化所引起的气动外形变化后,配平攻角绝对值会增大,配平升阻比也相应增加;研究结果与国外文献中对CEV外形的研究结论相符合,类联盟号外形与CEV外形在配平特性上具有相同的变化规律,烧蚀对其配平特性的影响规律也相同。     

返回舱再入过程中烧蚀影响研究

返回舱再入过程中,气动外形随着防热材料的烧蚀后退逐渐发生改变,可能对返回舱的再入性能带来不利反应。笔者前期对类联盟号返回舱在再入末段单个弹道点开展过烧蚀对配平特性的影响研究,为进一步研究烧蚀潜在的影响,通过烧蚀模型和吸热机理对类联盟号返回舱进行材料烧蚀计算,获得再入过程中4个不同时刻的烧蚀外形,它们的最大烧蚀量分别为2.3mm、7.8mm、9.8mm及12.5mm,在此基础上采用数值模拟方法对返回舱的烧蚀影响进行了研究,对初始外形和4个不同时刻的烧蚀外形分别进行气动特性的计算与分析,并与前期研究结果进行比较。结果显示:返回舱的烧蚀后退量将随着弹道的推移逐渐增大;烧蚀将使返回舱配平迎角减小(绝对值增大),配平升阻比增加,纵向压心前移,且这种影响随着烧蚀量的增加而增大;在研究范围内,配平迎角变化量与烧蚀后退量基本呈线性关系。该研究结果与文献对CEV乘员舱的研究结论在定性上是相符的,同时也验证了前期的研究结论。     

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。     

一种仿HX扁平面对称类升力体布局气动特性分析

为解决HTV-2飞行器存在的横侧向稳定性问题,采用二次曲线方法及CST方法,提出了一种对HTV-2外形进行改进的仿HX气动模型,并对二者气动特性进行了综合对比分析。重点探究了仿HX外形在横侧向稳定性方面相比于HTV-2的改进,同时对仿HX飞行器两侧小翼采用正交设计进行了关键气动布局参数分析,并对尾部控制舵进行了匹配设计。结果表明,HX外形在保持HTV-2外形高升阻比特性的同时,能够显著地增强偏航方向的稳定性,改进效果主要与两侧小翼翼高及面积呈正相关,在小安装角度下对安装角度变化不敏感。同时经过质心与控制舵匹配设计,该方案具备较高的控制效率和合理的配平攻角范围。     

轻型战斗机的气动外形优化设计

建立了一种以实数编码技术为基础的遗传算法模型,并把它与工程估算的气动分析方法相结合,进行轻型战斗机的气动外形优化设计。优化设计变量取为机翼、机身的尾翼的外形及三者之间的相对位置,优化目标是使飞机在跨音速巡航阶段获得配平状态下最大的升阻比。设计结果表明该优化设计方法是十分有效的,可用来对具有正常布局形式的飞机进行气动外形的优化设计。     

类AHW助推滑翔飞行器气动布局优化设计分析

AHW作为美国首飞即成功完成高超声速助推滑翔飞行试验的飞行器受到越来越多的关注。本文针对该类钝双锥十字形小尺寸弹翼外形气动布局阶段的共性问题进行了研究。基于参数化方法建立的基本外形和工程气动力估算模型,采用正交设计方法进行了参数敏感性分析,并对正交优化结果进行了数值模拟验证分析,在此基础上利用多目标优化方法完成了弹体布局的进一步优化。同时在优化外形基础上考虑气动特性以及总体和防热需求,对操纵面的类型、质心与操纵面尺寸配置以及操纵效率进行了探讨分析,给出了气动布局建议。研究表明,该类布局方式可以获得较高的配平升力、配平升阻比及容积率,并且合理的质心位置/舵面尺寸的组合可以实现操纵性需求,是高超声速滑翔飞行器的一种潜在布局方案。     

高空长航时飞行器机翼跨声速气动优化设计

高空长航时飞行器应具有升阻比高和俯仰力矩小的气动特性.基于遗传算法的随机性和隐含并行性,结合适用于多目标处理的Pareto方法,在低雷诺数和跨声速条件下,展开了高空长航时飞行器机翼外形的多目标、多设计点的数值优化设计.仿真计算结果表明,所设计的机翼具有较高的升阻比和较低的俯仰力矩,同时在设计马赫数附近升阻比的变化比较平稳,具有良好的综合气动性能.     

锥导乘波构型设计、优化与分析

乘波构型是高超声速飞行器高升阻比气动布局设计的参考外形之一,设计中需要综合考虑升阻比、容积率和容积等要求。在锥导乘波构型参数化设计的基础上,采用工程估算和计算流体力学相结合的方法,通过正交试验设计分析了不同参数对目标影响的敏感性,合理选择设计参数优化区间,应用改进的多目标遗传算法对乘波构型进行了优化设计,针对优化外形开展了气动性能的数值模拟研究,并在高超声速炮风洞中完成了缩比模型的验证性实验。结果表明:优化设计外形具有良好的升阻比,且在一定攻角范围内升阻比较高,数值模拟和实验分析基本吻合。研究结果可为高超声速滑翔式飞行器的设计提供参考。     

小升阻比载人飞船返回舱的外形设计

载人飞船返回舱的外形设计要满足稳定性、操纵性、配平升阻比、最大过载、最大热流、最大总加热量、机动能力、着陆精度和容积系数要求。小升阻比返回舱的形状以球冠倒锥形为最优。文中简要地介绍了返回舱外形的选择方法，对球冠钝度、倒锥角、大头拐角相对曲率半径、长细比和最大横截面直接等主要参数的选择作了研究，得出了定性与定量的分析结果。     

遗传算法结合神经网络的多段翼型优化设计研究

为提高多段翼型增升效能,开展包括襟／缝翼偏度和缝道参数在内的优化设计研究。将神经网络与遗传算法结合的优化设计方法应用于气动优化设计,并针对30P30N三段翼型,分别以8°迎角时升阻比最大和22°迎角时升力最大为目标进行了单目标和多目标优化设计研究。研究结果表明：采用单目标设计虽可在设计点获得较好的优化结果,但在非设计状态气动性能下降;采用多目标优化设计,既可获得良好的中等迎角升阻性能,又可改善大迎角失速性能,使综合气动性能更优;遗传算法与神经网络结合的优化设计方法可满足多段翼型的多点优化设计问题,具有高效、高精度等优点,易于工程应用。     

火星探测着陆器气动布局研究

火星探测活动是当前深空探测领域发展的热点,火星探测着陆器进入过程的气动布局问题是火星探测器设计的关键之一。根据国外火星探测器气动布局及地球轨道再入返回舱气动布局,从大气环境和布局形式两个方面出发研究火星探测器的主要气动特点,基于工程算法讨论了探测器所处大气环境及其布局形式对其高超声速升阻特性、配平特性及静稳定性的影响规律。大气环境分析表明,在高超声速进入条件下,火星大气热力学性质的改变,会改变高超声速气动力的大小和分布,会增加探测器的升阻力系数,对探测器的升阻比和配平特性影响很小,略提高飞行静稳定性。布局形式分析认为,球锥布局的防热大底较球冠布局具有更大的气动阻力,有利于着陆器减速,且较小的法向偏移量可实现足够的配平需求;球锥布局俯仰静稳定度对轴向的敏感度较低,也是探测器从气动考虑选用球锥布局的原因。相关研究结论可为火星探测着陆器的气动布局设计提供理论参考和技术支持。     

载人飞船返回舱的气动特性分析与外形设计

本文阐述了载人飞船返回舱的绕流特点，分析了返回舱外形参数和重心位置变化对气动特性的影响，提出了外形优化设计方法，讨论了返回舱的动稳定性等问题。     

基于数据挖掘的飞行器气动布局设计知识提取

为了更深入地理解飞行器气动布局设计优化中多目标/多设计变量间的影响关系,提高优化模型的科学性及优化效率,对基于数据挖掘技术的飞行器气动布局隐含设计知识提取问题开展了探索研究。以高升阻比滑翔飞行器布局设计优化问题为例,基于当前比较有代表性的方差分析、等度量映射、决策树、自组织映射4类机器学习算法对气动布局优化设计中产生的中间数据进行了挖掘分析。对不同方法得到的升阻比、横/侧向稳定性及容积率4种目标性能间的权衡关系,目标性能与设计变量间的敏感性关系及产生较优布局外形的设计变量取值规则进行了综合对比分析,凝练形成了适用于该类飞行器的设计知识,同时对4种方法的特点及适用性进行了总结分析,给出了相关结论。     

联翼布局多控制面纵向配平特性研究

采用多控制面配平是联翼布局临近空间长航时无人机提高升阻比、延长航时、降低起飞重量的重要措施。针对某联翼布局的临近空间长航时无人机,利用CFD计算和工程估算相结合的方式,研究了其多控制面纵向配平时的气动特性和对起飞重量的影响。结果表明,采用多控制面设计并选择合适的配平模式,可以保证在良好的配平姿态和配平纵向静稳定性下,有效提高配平升阻比,降低起飞重量。     

高超声速ISR平台乘波外形优化设计及需求验证

对乘波构型在高超声速ISR平台气动外形设计上的应用问题进行了研究。基于高超声速ISR平台的总体参数,对锥导乘波体进行了参数化几何建模。以升阻比和容积率为优化目标,采用正交试验设计方法、非线性回归模型和粒子群算法对锥导乘波体进行了多目标优化设计。选取Pareto前沿中的4个特征点作为高超声速ISR平台的初步气动外形,采用数值计算方法对其进行了性能分析,并对设计需求进行了初步验证。研究结果表明:上下表面"双凸"、两侧近似机翼的乘波体在保持较高升阻比的同时又具有较大的容积率,满足航程、载荷和起飞重量等设计指标的需求,可用于高超声速ISR平台气动外形设计。由于航程指标值较大,对燃油结构质量比的要求较高。     

双椭圆截面再入飞行器的气动计算及布局优化设计

双椭圆截面飞行器较圆截面回转体外形具有更好的刚性、更轻的重量、更大的容积和更高的配平升阻比.本文首先发展了一套可以计算该类飞行器纵横向气动力的工程计算方法,并利用N-S方程数值模拟方法进行了验证.其次,对此类飞行器的气动布局进行了优化设计,并利用相同的优化模型对圆截面外形进行了计算.最后,对双椭圆截面优化外形和圆截面优化外形的气动特性进行了比较.     

考虑弹性效应的乘波体纵向动力学特性研究

为满足长航程及高速飞行需求,乘波体外形越来越趋于扁平化、细长化,导致其在气动载荷作用下会出现显著的气动弹性效应。通过计算流体力学/计算结构力学/刚体动力学(CFD/CSD/RBD)耦合方法求解流动控制方程和飞行动力学方程,系统研究了不同结构刚度和来流条件下弹性效应对乘波体配平特性和动力学稳定性的影响。研究结果表明:随着结构刚度降低,乘波体配平迎角增大,配平升阻比下降,其主因是弹性变形导致气动中心前移,静稳定性降低;来流马赫数和结构变形对乘波体静稳定性的作用效果相反,且后者的减弱效果占主导作用;整体而言,刚弹耦合效应使乘波体俯仰动稳定性下降,且不同刚度下俯仰动导数随来流马赫数的变化趋势也不相同。