高超声速巡航飞行器乘波布局气动设计综述

吸气式高超声速乘波飞行器作为可以高效飞行于临近空间空域的运载器,自概念提出以来一直受到世界各国的高度关注,并吸引着众多学者与机构对此开展研究。本文主要从高超声速飞行器发展动态及乘波式气动布局设计技术两个方面展开分析,前者主要包括超燃冲压发动机的发展历程和主要工业国高超声速项目发展动态;后者主要针对受到世界各国高度重视的乘波式气动布局设计技术,较全面地概述了乘波飞行器气动布局设计方法的最新研究进展,在乘波体设计流程、基准流场构建方法、基准流场求解方法、沿展向乘波布局设计方法和乘波体在高超声速气动布局上的应用等方面进行了详细讨论。根据本文综合分析,乘波式气动布局高超声速飞行器由于在高超声速飞行条件下具有优异的气动性能,仍然是高超声速飞行器一体化布局的重要候选布局形式,而且随着材料、推进、导航与控制等技术的飞速发展,面向工程应用的乘波式高超声速飞行器将会很快出现,并将会在航空航天领域发挥重要作用。     

前缘钝化对高超声速飞行器气动特性的影响

为解决前缘钝化后由于外形的变化引起周围流场改变,导致激波形状发生变化而影响飞行器气动特性的问题,对前缘钝化后的吸气式高超声速飞行器气动特性进行了研究。对比分析了前缘钝化对吸气式高超声速飞行器气动特性的影响,得出了吸气式高超声速飞行器气动性能参数随着钝化半径的变化规律。研究结论可为乘波构型的高超声速飞行器一体化设计提供一定的依据。     

黏性边界层修正对前体/进气道一体化乘波布局气动性能影响分析

针对基于流线追踪生成的乘波进气道在内流部分存在较大黏性误差的问题,以构建具有消波隔离段的内外流一体化乘波气动布局为目的,发展了一种多级波系锥导或吻切锥乘波体的边界层黏性修正方法.在基于特征线法的多级前体与截短Busemann进气道一体化乘波布局设计方法基础上,耦合了高超声速可压缩轴对称流动的冯?卡门动量方程积分方法,通过修正边界层位移厚度来提高黏性情况下与设计预期的吻合度.对修正前后的一体化乘波构型进行了设计状态下的流场对比验证以及非设计状态下给定马赫数和迎角范围下的气动性能影响分析.计算结果显示,设计状态下黏性修正构型的前体两级激波和入口反射激波位置与设计预期基本一致,消除了隔离段内多次反射激波,进气道流量比增加4.51％,出口总压损失减少8.23％;非设计状态下修正构型同样具备更强的来流捕获能力和更小的出口冲压损失.所发展的方法能够提升内外流一体化乘波布局设计方法的精度,适用于吸气式高超声速飞行器前体/进气道的精确设计.     

高超声速飞行器一体化纵向气动特性分析

高超声速飞行器机体/推进一体化构型具有高性能、高升阻比等优点,但由于气动、推进与控制作用相互耦合,给飞行动力学模型研究带来新的挑战。基于高超声速飞行器空气动力学理论,研究了一体化的气动推进计算方法。该方法采用斜激波理论、普朗特迈耶公式及激波膨胀波理论计算了高超声速飞行器气动力及推力,通过与CFD的计算结果比较,验证了方法的准确性与可靠性。最后对飞行器的纵向气动特性进行了分析与讨论。     

高超声速二维前体进气道一体化优化设计研究

在飞行器前体进气道的一体化优化设计中,最大总压恢复系数是一个必须考虑的参数.本文从二维高超声速进气道的最大总压恢复系数入手,通过理论分析给出了高超声速飞行器从2波系到6波系的二维高超声速飞行器前体进气道的一体化优化设计计算模型.采用拉格朗日乘子法和序列二次规划法(SQP)分别计算了进气道内一道内激波和两道内激波时的情况,给出了进气道的最大总压恢复系数、进气道内马赫数、激波偏转角和激波强度随来流马赫数的变化关系.比较两种方法的计算结果可知采用的计算方法是合理的.     

高超声速飞行器机体/推进气动布局一体化设计技术研究现状

对高超声速飞行器机体/推进一体化设计方法按照机体外压缩波系和推进系统外压缩波系之间的相互关系进行了对比分类和论述,总结分析了其国内外研究现状、存在的主要问题及发展趋势。同时针对常规一体化设计方法存在抬头力矩过大、边界层吞入严重以及由于前体压缩波系与进气道外压缩波系之间的不利干扰等因素导致不同工况下升阻比、俯仰力矩等气动特性变化过于敏感等主要问题,重点阐述了一种能有效结合高升阻比乘波机体气动布局和高性能三维内乘波进气道设计特点、内外流分离设计的无/弱干涉新型一体化布局设计方法,为后续高超声速一体化研究提供参考。     

乘波飞行器气动优化设计的关键技术与进展

乘波飞行器以高升阻比以及高度一体化性能成为国内外高超声速临近空间飞行器研究的热点。介绍了乘波飞行器气动优化设计的发展现状,重点分析了机体/推进一体化设计、增升减阻降热设计和优化设计方法的关键技术,提出了乘波飞行器气动优化设计的一种思路,并对未来进一步的研究进行了展望。     

全流面乘波前体进气道设计方法

基于流线追踪的飞行器乘波前体设计和发动机进气道设计已有大量的研究工作，但是高超声速飞行器前体与超燃冲压发动机进气道的一体化设计一直是个难点。为了提高前体进气道整体的总压恢复和流量捕获性能，在前期飞行器乘波前体设计和进气道压缩面流线追踪设计方法的基础上，将整个基准流场分为激波压缩流场和等熵压缩流场，顺序组合，从前体激波、外压缩面到进气道内压缩面、反射激波直到喉道进行无缝连续地流线追踪，实现了全流面乘波前体进气道设计。横向三维曲面生成采用类似密切方法进行控制以实现全流面设计；纵向基准流场的构建由交叉推进特征线方法生成的激波压缩流场和反向Prandtl-Meyer流动生成的等熵压缩流场组合而成，只需输入前缘激波形状与进气道喉道出口约束；所有的控制曲线采用一种四次样条曲线进行描述。这是一种统一的基于内、外锥基准流场的前体进气道设计方法，其主要优点是具有较高的流量系数和总压恢复系数，可广泛用于高超声速飞行器前体进气道内外流一体化设计。     

一种给定容积空间的乘波构型参数化设计方法

乘波构型高超声速飞行器布局具有高升阻比的优点,但有效容积低和尖锐前缘使其在实际工程应用中受限。为弥补乘波构型飞行器有效容积低的不足,提出了一种乘波构型上表面参数化设计方法,同时开展了前缘钝化研究,采用增加前缘材料的方法进行钝化。分析了上表面不同设计参数对乘波构型飞行器容积率和气动性能的影响,研究了飞行器气动特性随迎角和马赫数的变化规律。计算结果表明,钝化后的经给定容积上表面设计的乘波构型有效提升了有效容积及容积率,并且仍能保持良好的乘波特性。数值仿真结果表明容积效率和气动性能是相互矛盾的关系,需要根据实际情况进行权衡。对于给定有效容积上表面设计的乘波构型高超声速飞行器,适合在一定范围的正迎角下飞行,并且能在较大的马赫数范围内保持优良的气动特性。研究可为提升高超声速乘波飞行器有效容积提供参考,提高了乘波构型飞行器的工程应用性。     

CFD和MDO技术在乘波飞行器设计中的应用综述

乘波飞行器由于其具有高升阻比特性而成为国内外高超声速飞行器研究的热点。介绍了乘波飞行器的研究进展,在此基础上阐述了乘波飞行器设计对先进设计技术的需求。重点讨论了计算流体力学（CFD）技术和多学科设计优化（MDO）理论与方法在乘波飞行器设计中的应用现状。提出了今后应重点对高超声速飞行条件下乘波飞行器的动态气动特性进行全面的数值模拟研究．大力开展包含可靠性和经济性分析的乘波飞行器多目标多学科设计优化研究。随着MDO方法在乘波飞行器设计中的深入应用,CFD必将发挥更大的作用,共同促进乘波飞行器的快速发展。