高效粒子群算法研究及飞翼无人机气动隐身优化设计

针对飞翼布局无人机气动隐身多目标优化设计问题,以无人机翼面为设计对象,开展气动、隐身多目标优化设计研究。采用FFD方法实现飞翼布局的参数化表达；分别采用基于雷诺平均N-S方程的计算流体力学方法(CFD)及大面元物理光学法(LEPO)配合一致性几何绕射理论(UTD)计算边缘绕射场的RCS分析方法计算飞翼布局无人机的气动、隐身性能；选择结合基于动态超体积期望改善(EHVI)加点的动态Kriging代理模型与ASMOPSO算法的高效多目标粒子群算法对飞翼布局无人机进行综合寻优设计研究。在较少的调用真实目标函数的情况下,获得了比较优秀的Pareto前沿,通过对所选解的分析比较可知优化后的飞翼布局无人机在气动及隐身方面均优于原始构型。     

装载约束下飞翼布局气动与隐身综合设计

基于飞翼布局大鼓包式机身,在装载布置约束下开展了气动与隐身综合设计,提出了一种机身低鼓包和双鼓包模型。结合可靠的CFD和隐身计算方法,初步探索了低鼓包和双鼓包气动与隐身特性及机理。结果表明:双鼓包模型极大地降低了全机纵向基本气动性能,但在大迎角时会推迟外翼段前缘分离,对外翼气动特性有一定改善;低鼓包与双鼓包模型整体上RCS差异较小,但双鼓包模型侧向隐身性能更优异。     

X-47B飞翼气动布局设计分析

对X-47B双后掠飞翼布局的气动布局设计进行了研究,分析了前缘后掠角、外翼弦长等平面形状参数对单后掠、双后掠飞翼布局的气动及隐身特性的影响,讨论了内外翼采用不同前缘剖面形状的原因,总结了X-47B无人作战飞机布局的发展历程及详细设计阶段翼尖修形的效果,为飞翼布局飞机的气动隐身设计提供设计参考。     

某飞翼布局隐身飞行器的翼型优化

对某飞翼布局无人机的翼型进行考虑隐身迎角的气动、隐身综合优化研究。采用基于非均匀有理B样条曲线的自由变形方法实现翼型的参数化表达;无限插值动网格方法生成气动求解的计算网格;分别采用基于雷诺平均N—S方程求解的计算流体力学方法及物理光学法计算翼型的气动、隐身性能;选择多目标遗传算法进行综合寻优设计研究。优化翼型兼顾了气动与隐身的要求,其综合性能优于原翼型。结果表明,方法具有较好的实用性。     

前缘参数对翼型气动-隐身特性敏感性分析

针对翼面部件对隐身飞机气动和隐身性能影响更为突出的问题,提出了一种翼型前缘参数化修形方法,采用高精度气动和电磁数值计算方法,进行了前缘形状对翼型气动-隐身特性的敏感性分析。研究结果表明:翼型前缘半径增加,其最大升力系数、失速迎角、最大升阻比显著增加,但其前向RCS均值也增加明显,设计时需进行综合权衡;在不影响结构和装载的情况下,下表面偏角尽量小,修形长度取0.15c,对翼型的低、高速气动和隐身特性都有利。     

飞翼无人机平面外形气动隐身优化设计

对一种双后掠飞翼布局隐身无人机(UAV)平面外形,基于参数化模型和网格自动划分技术,采用气动无黏/黏性数值求解模型和隐身工程评估方法结合单/多目标优化算法,在给定的变量设计空间中完成了气动隐身综合优化设计研究。通过多目标优化给出了布局气动升阻性能相对隐身性能的最优设计边界,指出了外形气动与隐身设计之间存在的冲突关系,即一方性能提升必会使另一方性能降低,不存在双方同时最优的解,飞翼外形设计时需要在气动与隐身间进行权衡折中。计算表明,在飞翼布局外形优化中应采用精度高的黏性气动计算模型。所建立的气动隐身一体化优化设计方法,为飞翼布局无人机外形精细设计奠定了基础。     

前加载翼型多点综合优化设计

前加载翼型具有低头力矩小、隐身性能好的特点,能够对气动和隐身特性进行合理折中,是理想的飞翼布局飞机截面翼型。首先介绍典型翼型参数化方法和评估方法,并对前加载翼型外形的控制能力进行评估,结果表明Hicks-Henne方法和CST方法对前加载翼型外形的控制能力较强,并且CST方法参数个数较少。然后依据飞翼布局飞机设计需求,在确定翼型设计状态和优化设计模型的条件下,将CST翼型参数化方法、N-S方程数值求解方法和遗传算法相结合进行前加载翼型多点综合优化设计,得到比参考翼型具有更大相对厚度和更优气动特性的设计结果。     

面向高超声速飞行器的宽速域翼型优化设计

宽速域气动设计是水平起降高超声速飞行器研制的瓶颈问题之一.水平起降高超声速飞行器在飞行过程中需要经历亚、跨、超和高超声速多个速域,而适应不同速域的最佳气动外形相互矛盾,使得实现良好的宽速域气动设计面临极大挑战.首先,针对高超声速飞行器宽速域翼型气动设计问题,发展了基于代理模型的高效全局气动优化设计方法,并设计出一种相对厚度为4％、有一定弯度、下表面具有双"S"形特征的宽速域翼型.将新翼型与常规四边形和双弧形翼型进行了气动特性对比,并进行了流动机理分析,结果表明新翼型的宽速域综合气动特性显著优于常规翼型,从而证明发展兼顾亚、跨、超和高超声速气动性能的宽速域翼型是可行的.其次,开展了宽速域翼型的多目标优化设计,通过分析Pareto解集中翼型的宽速域气动性能随几何外形变化的演化规律,进一步解释了有一定弯度、下表面呈双"S"形的薄翼型能够协调亚、跨、超声速与高超声速气动性能的原理.最后,采用平面外形为梯形的机翼,进行了三维机翼构型下的宽速域翼型多目标优化设计.三维优化设计结果与二维结果具有相似的几何特征和压力分布,说明这种通过下表面双"S"形小弯度薄翼型来兼顾亚、跨、超和高超声速气动性能的宽速域流动机理同样适用于三维情况,也证实了翼型设计对于宽速域高超声速飞行器仍然具有重要意义.     

飞翼布局无人机气动/隐身综合性能分析

为了分析飞翼布局无人机气动/隐身综合性能,将KD树结构的基本思想与射线跟踪法结合,计算了X-45C,X-47A,X-47B三种飞翼式无人机RCS;将CFD技术与逆向蒙特卡洛方法相结合,计算了无人机蒙皮红外辐射强度;基于灰色系统理论,运用灰关联度模型建立了无人机雷达隐身-红外隐身-气动性能综合性能评判方法。结果表明:X-45C气动/隐身总体性能最好;X-47B由于外翼段的存在,保证其低速状态下的高升阻比特性以及较优的气动特性;低马赫数大迎角飞行时,X-47B的气动性能是最好的。     

飞翼布局翼型系列设计进展

针对飞翼无尾布局飞机开展了基础翼型研究.归纳了飞翼布局翼型的设计特点和研究进展,提炼了飞翼无尾布局复杂的气动设计需求,总结了其展向气动分布特点,根据不同分区提出了翼型气动设计要求,并建立了分区翼型设计模型,形成了飞翼布局分区翼型系列.由于传统翼型设计模型未能考虑横流效应,导致翼型设计结果应用到三维布局上不能达到理想效果,提出了"全局+局部"的翼型多学科设计方法,根据飞翼布局分区翼型气动设计要求,建立了基于分区翼型设计模型的高效代理模型全局优化设计与三维布局环境下多剖面翼型局部优化设计的多学科协同设计方法.这种"全局+局部"的设计方法能够快速实现满足飞翼布局分区多剖面、多种性能要求的翼型设计,有效提高了设计翼型的性能与设计效率.最后以类X47-B布局为例,进行了翼型系列设计,验证了该方法的可靠性.     

大展弦比前掠翼气动隐身多目标优化

前掠翼布局优越的气动性能为无人机气动布局设计提供了一条新的方向。采用CST方法对翼型几何外形进行参数化描述,实现前掠翼气动和隐身多学科优化设计模型的参数化描述。建立了基于N-S方程的计算流体力学方法的前掠翼气动分析模型和基于矩量法的计算电磁学方法的前掠翼隐身分析模型。提出了基于Kriging模型的前掠翼气动隐身多目标优化方法,采用拉丁超方试验设计方法获取样本点,建立前掠翼气动和隐身的Kriging代理模型。将Pareto多目标遗传算法与Kriging代理模型结合进行大展弦比前掠翼的气动隐身多目标优化设计。研究结果表明,所建立的分析模型是合理的,所提出的多目标优化设计方法是可行的,能够有效提高大展弦比前掠翼性能与优化效率。     

无尾布局翼型的DISC设计研究

采用DISC方法耦合N-S方程求解程序研究了无尾布局翼型的设计。通过NLF1015,RAE2822翼型的反设计表明,该方法可用于亚、跨声速翼型设计,具有简单、计算量小的优点。完成了翼型改进和新翼型设计,对某BWB飞机内翼段翼型进行了改进设计,采用人工干预对现有翼型压力分布进行局部修正,达到快速削弱激波、改善翼型气动性能的目的;针对小展弦比翼身融合布局内翼段新翼型设计,采用基于多目标多约束压力分布优化的设计思想,得到满足气动和几何约束的目标压力分布。设计结果表明,数值优化目标压力分布方法较易满足总体与气动的设计目标和约束。     

基于代理模型全局优化的自适应参数化方法

对于翼型气动隐身设计问题，设计变量的配置对设计结果影响很大，而简单地增加设计变量不能保证得到理想的结果。提出一种适用于代理模型全局优化的自适应参数化方法：利用全局敏感性分析方法——基本效应法，得到设计空间关于目标函数的敏感区域信息，并以此为根据增加设计变量；利用节点插入算法将低维样本在高维空间内进行重构，避免了重新取样的工作量。相对于传统固定设计空间维度方法，自适应参数化方法在设计空间的敏感区域扩展维度，能够更加精准地描述外形并反映目标的变化趋势。通过飞翼布局翼型的气动隐身优化算例，证实自适应参数化方法可以大幅提高优化设计质量和效率。     

基于代理模型的气动外形平面参数多目标匹配设计

将Kriging代理模型和Pareto遗传算法引入气动外形平面参数匹配设计中,提出一种基于代理模型的多目标平面参数匹配设计方法。将拉丁超立方试验设计用于平面参数筛选,确定出参数匹配方案库;基于方案库的计算流体力学(CFD)分析结果构建Kriging气动代理模型;将Kriging模型替代CFD分析,用于气体布局参数匹配优化设计,提高了设计效率并保证了可信度;通过Pareto遗传算法优化解决多点设计要求下气动布局参数匹配问题,一次性给出参数匹配方案的最优解集,从Pareto前沿中根据设计偏向选择气动布局最佳匹配方案。以典型的双后掠布局平面参数多点匹配优化设计问题作为算例,研究结果表明:Kriging气动代理模型与实际CFD分析结果的误差均小于5%,满足精度要求;根据不同设计偏向,选择了3种参数匹配Pareto优化方案,与原样本方案相比超声速阻力减小6.0%~12.8%,跨声速升阻比增加0.01%~3.40%,证明了匹配设计方法的有效性;通过试验设计的Pareto分析与主、交互效应分析,获得了气动布局平面参数对气动性能影响的定量关系,能够为参数匹配设计提供依据。所提出的平面参数匹配设计方法可应用于其他常规与非常规气动布局型式。     

平行度对飞翼布局隐身特性的影响研究

对于飞翼布局的飞行器,棱边的数量、长度、位置等因素影响着它的隐身性能。数值化地描述这些棱边关系并建立他们和隐身特性之间的联系,能够给飞行器综合一体化设计提供参考,为优化设计确认目标函数,提出了基于飞翼平面布局的棱边平行度数值化描述方法,根据建立的棱边关系和平行度之间的计算公式,分析了飞翼布局中棱边的数量、长度、位置等对平行度的影响。采用创建特征模型的方法,计算各个特征布局的雷达散射截面（RCS）,结合所提出的平行度,给出了平行度与隐身特性之间的对应关系曲线并归纳了隐身特性对平行度的敏感度。总结出了通过增大平行度来提高隐身特性可以采取的措施,以及布局方案细微调整时需要注意的极值点。     

高超声速飞行器宽速域翼型/机翼设计与分析

对于现代高超声速飞行器的设计而言,除了需要保证高超声速的性能外,还必须兼顾满足工程需求的亚跨超声速特性。首先,采用雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程流动求解器,结合基于Kriging模型的代理优化算法,开展了高超声速飞行器宽速域翼型的优化设计研究,设计出了一种下表面具有双"S"形特征的新翼型。综合性能评估结果表明,该翼型相比于常规的高超声速翼型,在跨声速和高超声速下具有更加优良的气动特性;其跨声速状态下的升阻比达到78.9,高超声速状态下的升阻比达到5.94,能够实现宽速域内良好的综合气动性能。其次,开展了仿德国"桑格尔号"（SANGER）空天飞机运载机机翼的气动特性研究,对配置宽速域翼型与常规高超声速翼型的机翼进行了气动力特性综合对比分析。结果表明,配置新翼型的机翼在宽速域范围内整体气动性能更优,说明所设计的宽速域翼型在三维机翼上也具有一定的实用价值。     

飞翼隐身特性数值模拟

为了设计出高隐身飞机,对飞翼进行总体设计。应用CATIA软件,对飞翼进行概念设计,生成三维数字样机;基于物理光学法和等效电磁流法,应用自编的RCSAnsys软件对飞翼的三维数字样机进行隐身特性数字模拟,得出飞翼在各频段雷达波条件下RCS均值。结果表明,飞翼隐身设计,能够得出高隐身飞机,可为飞机总体与隐身设计提供理论依据与技术支持。     

飞翼无人机3种保形进气口进气道气动与隐身综合特性对比

基于飞翼布局无人机隐身与结构装载布置要求,保形设计了3种进气口形状的背负式S弯进气道,按照进口投影截面形状上、下底之比顺序排列,分别为三角形、梯形和矩形.利用数值模拟方法对无人机内外流场耦合流动进行计算分析,且基于射线弹跳(SBR)法对进气道电磁散射特性进行仿真研究,获得了飞翼无人机3种进气道的气动与隐身综合特性.研究结果表明:①矩形进气道模型升阻和纵向力矩特性表现均最好;②3种 进气道模型按顺序排列总压恢复系数逐渐增大,畸变指数逐渐减小,进气道沿程气流也逐渐顺畅,矩形进气道模型进气道内流特性最优;③0°迎角下3种进气道模型雷达散射截面(RCS)均值基本呈现先增大后减小的特征,进气道终端开放时矩形进气道模型隐身性能最好,而终端短路时三角形进气道模型隐身效果更优异.      

典型布局飞机电磁散射特性数值计算研究

电磁隐身对飞行器战场生存力具有重要影响,作战任务不同,对应的飞行器布局形式也不同,而飞行器布局形式会影响其电磁散射特性。建立四种典型布局形式和电磁模型,基于物理光学法,数值模拟不同布局飞行器的RCS曲线,并分析RCS分布特点;对常规和特殊布局模型,研究其电磁散射的频率响应特性。结果表明:飞机布局决定RCS分布形式,在前向角域内,布局A-1、A-2、B、C、D的电磁隐身性能呈震荡提高趋势,RCS均值从7.770 0dBsm震荡降低至-30.067 3dBsm,布局B的RCS均值为-10.434 7dBsm;而不同布局的后向和周向角域电磁隐身性能依次提高,后向RCS均值由常规布局的22.702 5dBsm缩减为-25.093 8dBsm,周向由7.039 1dBsm缩减为-15.137 3dBsm;在高频区域,频率增加对RCS曲线分布特点影响较小,但曲线震荡性更加明显,RCS算术均值降低。     

跨声速层流翼型的混合反设计/优化设计方法

跨声速层流翼型设计须兼顾优良的超临界特性和自然层流特性,因而对设计方法提出了更高的要求。针对现有反设计方法和直接优化设计方法的不足,发展了一种适用于跨声速层流翼型的混合反设计/优化设计方法。该方法引入了基于经验的局部流场特征作为反设计目标,翼型性能指标作为直接优化设计目标,然后加权形成了混合反设计/优化设计总目标,并同时考虑了气动和几何约束。优化算法采用基于自适应并行加点技术的代理优化,流动数值模拟采用耦合基于线性稳定性理论的e^N转捩自动判定的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程求解器。针对现代中短程民用客机需求,以NPU-LSC-72613翼型为基准,开展了层流翼型减阻的混合反设计/优化设计。分别将局部目标压力分布、总阻力作为反设计和直接优化设计目标,得到了较好的优化结果,验证了方法的有效性。经过2轮优化结果显示混合反设计/优化设计总目标显著下降。所设计翼型吸力面局部压力分布与目标压力分布基本一致,总阻力下降15.5%;吸力面和压力面层流范围均大于55%倍弦长,激波强度显著减弱,说明所设计翼型同时具有优良的超临界和层流特性。将所设计翼型配置到机翼上,通过三维数值模拟进行校验,结果显示所设计跨声速层流机翼升阻比提高了6.64%,在一定升力系数范围内,气动性能均有显著提高,验证了所设计跨声速层流翼型在机翼设计中的适用性。