乘波体设计方法及设计参数分析

乘波体是一类典型的高超声速飞行器外形,它具有较高的升力及升阻比特性。建立了一套基于激波装配法的乘波体设计方法,该方法采用激波装配法获得精确激波位置,同时引入导波体的概念,通过设计导波体的构型来决定激波面的形状,引入导波体构型参数。通过改变导波体俯视外形前后锥角度、前后体长度比、侧视外形表面后锥角度等参数,比较其对最终乘波体气动特性的影响,并分析了这些参数改变对乘波体气动特性影响的内在机制,为工程化乘波体设计提供理论指导。     

定平面形状乘波体及设计变量影响分析

拓展密切锥方法的设计灵活性,提出了一种定平面形状乘波体概念。推导了设计参数与平面形状之间的泛化几何关系,使用非均匀有理B样条辅助设计,建立了头部区域可控、后掠区域可控的双后掠乘波体设计方法,并给出了此类乘波体外形参数与设计参数之间的几何关系。结合考虑黏性的乘波体性能快速预估方法评估乘波体性能,并通过CFD技术验证了设计和性能评估方法的有效性。提取设计变量,分析典型变量对乘波体性能的影响。结果表明,双后掠乘波体保持了高超声速阶段的高升阻比特性,同时具有对平面形状良好的可控性,为构建新型乘波体外形提供了思路。     

三维流场乘波体快速设计方法及多目标优化

为扩大乘波体的设计空间,精确地计算设计流场,引入高超声速激波装配法,结合基于多重网格的搜索技术加速寻点效率,扩展流线追踪方法到三流流场,建立普适于一般三维流场的乘波体快速设计方法。对设计曲线使用B样条方法建模并提取设计变量,结合改进的Pareto遗传算法对升阻比和容积率进行多目标优化设计,获得了性能较高的乘波外形。研究表明此方法效率高,设计空间大,是一种乘波体设计的新方法和新思路。     

面向乘波体气动外形设计的代理模型特性分析及优化

代理模型在气动布局优化设计得到了广泛应用,研究探讨分析各代理模型的特性分析是重要的基础问题。文中基于3种Kriging和二阶多项式响应面模型等4种代理模型,以升阻比和容积率为样本,研究分析了其在乘波体优化设计中的的拟合精度和结构特性。研究表明,在高超乘波体优化设计中,基于自然指数型评估函数的Kriging模型具有相对突出的拟合精度。最后,在乘波体升阻力系数和容积率代理模型的多目标优化中,对比了基于自然指数型评估函数的Kriging模型和常用的基于高斯函数的Kriging模型的优化结果,发现基于自然指数型评估函数的Kriging模型对于峰值的拟合效果更好。     

设计参数对幂次乘波体纵向静稳定性的影响

为实现幂次乘波体的纵向静稳定设计，对幂次体激波面后流线的“凹凸”特性与设计参数之间的关系进行了研究，并以此为依据，通过数值计算的方法得到了设计参数与幂次乘波体纵向静稳定性之间的关系。结果表明：幂次体激波面后的流线由“内凹”和“外凸”两部分组成；设计参数c越大、n越小、设计Ma越大、前缘点布置的越靠前以及乘波体长度L越长，流线的“外凸”段所占比例越大，由此得到的幂次乘波体纵向也就越稳定；此外，在其他设计参数确定的情形下，前缘线形状的改变并不影响乘波体的纵向静稳定性。     

飞行高度及设计长度对锥形流乘波体优化的影响

高超声速条件下,乘波体布局具有高升阻比特性,本文应用单纯形加速法,以最大升阻比为目标,开展了锥形流乘波体布局优化设计研究.特别是,研究了在高层大气飞行时雷诺数效应与气动特性的关系,从乘波体飞行高度与设计长度两方面探讨雷诺数对乘波体优化的影响,结果表明：给定设计马赫数和圆锥角情况下,对于最大升阻比优化乘波体,其雷诺数越小,摩擦阻力越大,而升阻比越低.     

升力体外形设计的代理模型优化方法

面向飞行器概念设计提出了一种将类型函数/形状函数变换技术与代理模型技术及全局优化算法相结合,实现升力体外形多目标优化的设计策略。类型函数/形状函数变换技术能够通过调整少量尺寸参数或类型函数/形状函数控制参数衍生出多种设计构型。选用最优拉丁超立方抽样完成实验设计,将径向基函数作为近似方法构建代理模型,并通过序贯采样后验策略改善代理模型拟合优度。在Ma 6,迎角20°设计点处搭建了升力体简化外形的气动分析代理模型。应用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法实现了以升阻比和容积利用率最大化为目标的折衷优化,得到包含一系列改进设计方案的Pareto-解集,其中,各构型目标响应相对实际分析值误差均在6.1%以内,表明该方法既可以通过代理模型大幅提升设计效率,降低应用全局优化算法的计算复杂度,又能够得到满足概念设计精度需要的设计方案,有利于概念设计中定量高效地实现多个设计目标的折衷优化,明确飞行器外形修改方向。
     

面向控制的可变形乘波体概念设计与分析

针对高超声速乘波飞行器强耦合、非线性和大包线飞行等特点,在概念设计阶段将智能变形技术引入到乘波体设计中来,根据不同飞行状态调整乘波体外形,实现飞行性能的最优化.利用高超声速空气动力学和具有热增加的准一维流估算乘波体表面气动力和发动机推力,建立可变形乘波体的参数化数学模型.仿真分析可高燃冲压发动机性能和乘波体气动特性随结构变化的关系,针对发动机性能提出了变形的依据.通过经典的内外环分布式控制器控制可变形乘波体的姿态稳定的同时具有一定的指令跟踪能力,并且验证了形变对飞行和控制性能的影响.     

降低气动非线性的高超飞行器总体优化方法研究

针对高超声速飞行器严重气动非线性特性给控制系统设计提出的高要求,基于推广的随控布局思想,从控制系统设计角度对高超声速飞行器总体提出气动非线性程度低的优化设计指标。引入高超声速飞行器气动非线性特性度量——非线性度的定义,通过气动工程估算建立非线性度与飞行器总体外形参数关系的表征模型,将非线性度表示为总体外形参数的函数;采用遗传算法求解以总体外形参数为决策变量和以非线性度最小为目标函数的优化问题;最终确定随控优化思想下的高超声速飞行器总体优化策略。算例分析表明,本文提出的总体随控优化方法对于改善高超声速飞行器的气动非线性特性简单有效。     

基于B样条的平流层飞艇外形优化设计

为改善飞艇气动性能,提高推进系统的效率,增加飞艇承受有效负载的能力并延长其运行时间,将飞艇艇体气动阻力和艇体表面积两个主要因素引入到平流层飞艇外形优化设计中,建立了复合目标函数,在飞艇体积不变的前提下,采用EXTREM数值优化算法,对平流层飞艇外形基于B样条曲线参数化方法在体积和长度不变的限制条件下,进行了双目标优化设计,优化后,外形的气动阻力减小了7.12%,同时飞艇艇体表面积也减少了1.76%。文章的研究结果实现了减阻和减重的双重目标,证明了该方法是合理可行的,可为平流层飞艇总体设计提供相关参考。     

基于MATLAB的现代优化算法在飞行器气动外形设计中的应用

本文发展了MATLAB语言环境下的现代优化算法，包括遗传算法、模拟退火算法和基于分支联赛选择的多目标遗传算法，并用来求解高超声速飞行器气动外形参数优化问题。所研究的气动外形为带控制舵飞行器和可变弯体飞行器。在MATLAB环境下，求解了最大化升阻比的单目标优化问题和具体有两个冲突目标（最小化铰链力矩并且最大化平均操纵效率）的多目标优化问题。实际算例表明，在快速有效的气动力分析方法辅助之下，本文所发展的MATLAB现代优化算法可以在飞行器初始设计中发挥作用。本文所提供的现代优化算法是对MATLAB优化工具箱的一个有益的扩展。     

多学科设计优化在空间站太阳翼构型设计中的应用

论述了空间站太阳翼构型的优化问题及应当考虑的设计参数、设计约束、优化目标以及组装建造阶段,分析了优化问题涉及的学科和参数耦合关系;以一个虚拟的空间站服务舱为例,探讨了其太阳翼构型优化建模,给出了3个单目标优化模型,包括设计变量、约束条件和目标函数,比较并说明了优化结果,表明优化合理有效。     

可重复使用运载器机翼外形优化

研究了有翼可重复使用运载器机翼平面外形参数优化设计问题。在高超声速配平和低速水平着陆性能等约束条件下，利用混合遗传算法和粒子群优化算法来选择最优机翼外形参数，使机翼重量最小化。在已知的不同质心位置下求得相应的最小重量机翼外形。亚声速气动力采用面源法计算，高超声速气动力采用修正的牛顿流理论计算。为了降低计算耗费，使用均匀设计和逐步回归方法建立了低速气动力回归模型。整个优化过程在Matlab集成环境下完成。     

宽速域乘波构型设计方法研究综述

乘波体是一种典型的高速气动构型,由于高升阻比和均匀的下表面流动等特性使其成为机身/进气道一体化设计的理想构型。随着对乘波体设计方法的不断研究,提高乘波体在非设计条件下的气动性能,实现乘波体的宽速域飞行成为乘波体实用化的一个重要研究方向。将目前的宽速域乘波体设计方法分成变马赫数、多级组合和涡波结合3种类型,并详细介绍了这些方法的设计过程,分析了设计方法的优缺点。     

反折式二元超声速进气道研究

X-51A采用带两级压缩楔面的反折式进气道设计方案,这是一体化权衡设计的结果,要求进气道设计综合各方面因素进行多目标优化。从发动机设计角度出发对类似于X-51A的反折式二元进气道进行了研究,合理选择了进气道的设计变量并运用多目标粒子群优化算法（MOPSO）对带两级压缩楔面的反折式二元进气道按总压恢复系数、流量系数及出口马赫数三个目标函数进行了多目标优化设计,计算中性能指标参数评估基于Euler方程求解得到。通过优化计算得到了带两级压缩楔面的反折式进气道相关性能指标参数最优变化关系及结构方案,可为后续进气道与飞行器一体化权衡提供设计参考。     

用仿真方法优化PID调节器参数的算法和程序

本文介绍一种利用仿真方法求得系统响应从而对PID调节器参数进行优化的算法及程序。首先用古典频率法设计出PID调节器的初步参数,然后用单纯形寻优法以仿真得出的系统响应误差的某种积分指标为目标函数值对PID参数进行优化。用罚函数法对PID参数进行限制以避免设计出难以实现的校正装置。根据上述算法用PASCAL语言编制了程序。程序中可以对D校正的零点和极点、I校正的零点及比例P四个参数进行优化。程序中还提供了四种输入和四种积分指标供优化时选择,便于使用。优化PID参数后,系统性能指标显著提高。本程序优化速度较快。     

通用航空飞行器气动布局设计优化

研究了通用航空飞行器气动布局设计优化问题。应用基于二次曲线的模线设计方法，实现了通用航空飞行器的参数化外形建模。采用修正的牛顿流理论进行高超声速气动特性计算。在保持纵向稳定性的条件下，以升阻比和容积效率最大化为目标，建立通用航空飞行器气动布局多目标优化模型。应用基于小生境竞争排挤机制的多目标遗传算法求得优化模型的非劣解集。将物理规划设计方法与稳定、高效的粒子群优化算法相结合，有效地求解该优化模型的折衷解。优化结果表明本文的通用航空飞行器气动布局设计优化方法是有效的。     

某型导弹固体发动机喷管防水板结构优化设计

用人工神经网络算法,对某型导弹固体火箭发动机喷管防水板结构的5个参数进行了研究。模拟得到了防水板在中心受到150 mm、大小为10 t压头的最差工况下的变形与应变,并与试验对比验证数值模拟的正确性。以防水板最大主应力和最小质量为目标函数,获得了目标函数随设计变量的曲线关系,并对参数进行了灵敏度分析。优化能有效减轻防水板质量,较传统设计方法使其质量下降了45.95%,优化结果可指导发动机防水板结构的优化设计。     

组合前缘乘波体预压缩性能计算研究

乘波体飞行器是近年兴起的新概念飞行器.现提出了一种组合前缘的乘波体设计方法以改善飞行器前体的预压缩性能,并用Navier-Stokes方程进行了数值模拟,就密度流、压力系数、马赫数、总压等参数与普通乘波体进行了对比,结果表明,该设计方法能显著改善飞行器前体的预压缩性能.     

高超声速飞行器自适应增点Co-RBF多保真度代理建模

针对高超声速飞行器设计过程中计算效率和计算精度难以兼顾的问题,提出了一种自适应增点协同径向基函数（Co-RBF）方法,并将其应用在高超声速乘波体气动参数多保真度建模上。首先,设计了锥导乘波体飞行器,采用工程估算方法和计算流体动力学（CFD）分别获得其气动参数的高低保真度样本。随后,分别采用Co-RBF和广义分层协同克里金（GCK）方法构建代理模型,对比分析了低保真度样本采样方法和样本容量对多保真度模型在训练集内、外的拟合精度的影响。最后,根据提出的自适应增点Co-RBF方法,构建了乘波体多保真度模型,并与常规Co-RBF拟合效果进行了比较。结果表明,Co-RBF比GCK方法对气动参数拟合效果相近,且自适应增点Co-RBF方法在保证融合模型精度的情况下有效降低对高保真度样本的需求。