飞发一体化算力体系及算力参数敏感性

飞行器/发动机一体化是制约吸气式高超声速飞行器的核心和关键技术,本文针对高超声速飞发一体化构型开展了算力体系划分及算力参数敏感性研究。通过将一体化飞行器不同部件划分至气动和推进系统,研究了算力体系划分对气动/推进性能指标的影响,结果表明对于飞发一体化构型,在不同算力体系下表征的飞行器气动/推进性能可能存在较大差异,横向比较飞行器气动/推进性能必须在明确算力体系条件下进行。采用正交试验设计+方差分析的方法分析了飞行器算力对空域、速域、飞行姿态、气动热效应、真实气体效应5个因素的敏感性,结果表明壁面温度是影响飞行器轴向力计算的敏感参数,马赫数和攻角几乎影响所有气动指标。在研究范围内,雷诺数和气体比热比是飞行器气动性能的不敏感参数。     

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。     

高超声速飞行器气动布局总体性能优化设计研究

总体设计是吸气式高超声速巡航飞行器的关键技术之一.为提高高超声速飞行器的设计水平,获得一个总体性能较优的布局构型,对乘波布局的高超声速飞行器进行了总体优化设计研究.采用多目标遗传算法,以飞行器外形参数作为设计变量,考虑了巡航状态下的气动力、热、雷达散射截面、机体/推进一体化、机身容积、配平特性、静稳定性和机动性等指标.优化设计得到了Pareto最优前沿面,获得了很多总体性能优于基本构型的最优个体.根据设计指标,给出了一个推荐方案作为进一步研究的参考构型,并对它的气动特性进行了风洞实验验证,证明了本文优化设计方法的可行性.     

升力体机动飞行器气动布局概念设计

开展高超声速机动飞行器的气动布局概念设计研究,提出一种新的升力体机动飞行器气动布局方案,进行了机体的优化设计,并进行了控制舵的匹配设计,研究了飞行器的气动特性和操纵效率问题。研究表明,该方案可以获得较高的配平升阻比及配平攻角,有较高的机动控制效率,是高超声速飞行器实现高机动的潜在可行方案。     

高超声速飞行器机体/推进一体化设计的启示

机体/推进一体化设计是吸气式高超声速飞行器的关键技术。飞行器的前体和后体既是主要的气动型面,又是发动机进气道的外压缩型面和尾喷管的膨胀型面,一体化设计直接影响飞行器的气动与发动机性能。本文阐述了吸气式高超声速飞行器的主要特点,梳理了飞行器的推阻匹配、升阻比特性、操稳匹配等主要气动设计问题。通过对国外典型高超声速飞行器机体/推进一体化设计技术的综合分析,总结了前体/进气道、后体/尾喷管、边界层强制转捩装置等关键部件的气动设计方法,获得了有意义的启示,可为后续吸气式高超声速技术研究提供重要参考。     

基于全局/梯度优化方法的宽速域乘波-机翼布局气动设计

宽速域高超声速飞行器是航空航天领域新的战略制高点,其飞行速域与空域极大化特点导致亚/跨/超/高超声速气动性能难以兼顾。为了缓解高低速气动设计的矛盾,以典型宽速域乘波-机翼布局为研究对象,结合基于代理模型的全局优化方法和基于伴随梯度的局部优化方法,对该宽速域构型的布局参数和剖面形状进行了从全局到局部的多目标分步优化。结果表明,在约束亚声速升力系数、高超声速阻力系数的情况下,基于代理模型的布局参数优化方法能够在维持高超声速气动性能的同时,将亚声速的升阻比提升9.5%。进一步选取布局参数优化结果 Pareto面上亚声速气动特性最优的构型,利用基于伴随梯度的优化方法,对机翼剖面进行梯度优化。优化结果表明,梯度优化能够有效地改善飞行器亚/高超声速状态下的阻力特性,并将翼型在几何上优化为兼顾亚/高超声速气动特性的双S翼型。通过上述从布局参数到剖面参数的优化,乘波-机翼构型的亚声速升阻比相比初始构型提升了12.4%,高超声速升阻比相比原始构型提升了6.2%。     

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。     

通用大气飞行器的参数化气动布局研究

提出了一种新的升力体类通用大气飞行器布局方案.应用基于二次曲线的模线设计方法,通过二次曲线的控制点和形状参数实现参数化外形建模,构造适用于通用大气飞行器的升力体布局方案,提高飞行器气动布局方案的设计效率,为进一步的气动特性计算和布局方案设计优化奠定基础.采用修正的内伏牛顿流理论,对通用大气飞行器进行高超声速气动特性计算,并进行了质心设计,获得的高超声速稳定配平升阻比达到3.5以上.进行了控制舵面设计和控制效率的计算分析.     

高超声速飞行器构型的数值模拟、试验研究与优化设计

综合升力体和乘波构型的气动性能优势,发展了一种高超声速飞行器前体气动构型的设计方法。运用该方法参考某高超声速飞行器气动布局方案,设计了一种高超声速飞行器气动布局。对该类高超声速气动布局进行了数值模拟、优化设计和试验研究;并研究了该类气动布局在高空飞行时,稀薄气体效应对气动性能的影响。数值模拟结果表明：构型前体预压缩面能够将高压气体封闭在构型下表面,实现了乘波构型的设计概念;优化设计结果表明,对于该构型宽展比应在0.4~0.6之间,通过优化升阻比至少有3%~5%的提高余地。对DSMC算法的碰撞模型和有效碰撞次数进行了改进,发展了临近空间飞行器气动性能模拟软件。研究结果表明,在临近空间区域,该类气动布局的升阻比特性略有下降,但仍旧保持了高升阻比的气动优势。     

源项法模拟高超声速飞行器内外一体化流场

为了简化燃烧室流场模拟，提高内外流场数值仿真效率，为高超声速飞行器一体化构型提供设计依据和参考，发展了一种在流动控制方程组中加入源项的数值模拟方法。通过调节源项作用位置及大小，该方法可实现对超燃冲压发动机燃烧室内的添质添能流动的模拟：与直联式试车台实验数据对比表明，该方法能够较好地模拟冲压发动机内压力分布，能够满足飞行器气动／推进一体化构型方案设计及总体方案设计阶段的需求。     

高马赫数临近空间无人机主要总体参数设计方法

针对高马赫数临近空间无人机(HSUAV)概念设计的需求,研究一种飞行器主要总体参数设计的改进方法,目的是提高主要总体参数设计的可信度。在现有的约束分析和任务分析方法基础上,通过融入适用性更广、预测精度更高的气动模型和推进系统模型,建立了一种迭代的设计计算流程。应用参数化建模方法建立了气动数值分析模型,应用发动机热力循环分析建立了推进系统模型。应用本文方法完成了高马赫数临近空间无人机主要总体参数设计计算,结果表明:经过若干次迭代设计计算,主要总体参数值收敛;由传统方法确定的主要总体参数与本文方法的结果有明显差别。由于本文方法中使用了可信度更高的气动和推进系统模型,根据本文方法确定的主要总体参数具有更高的可信度。     

吸气式高超声速民用运输机概念设计

介绍了高超声速民用运输机的概念设计方案。通过对气动布局、推进系统、全机重量的分配等方面进行初步分析和计算,完成了飞行性能的多轮数值计算,得到了满足初始任务需求的设计方案和飞行轨迹,并形成了快速的概念方案设计方法。     

高超声速飞行器俯冲段制导控制一体化设计方法

针对高超声速飞行器高速俯冲飞行段制导控制系统设计问题,建立了俯冲飞行段制导控制一体化低阶设计模型,提出了一种新颖的六自由度(6DoF)制导控制系统设计方法。基于目标-飞行器三维空间相对运动模型和坐标系转移关系建立了三维全耦合俯冲相对运动模型,推导得到了飞行器加速度在弹道坐标系三轴的分量与飞行器三通道角速率间的解析模型,进而结合飞行器绕质心动力学模型建立了以气动舵偏角为控制输入的俯冲飞行段制导控制一体化低阶设计模型。该制导控制一体化低阶设计模型降低了俯冲飞行段制导控制系统的模型阶数,减少了六自由度制导控制系统的设计参数,省略了传统设计方法中根据期望过载反求气动欧拉角的过程;同时利用解析模型替代了传统方法中姿态控制环路的跟踪控制过程,简化了制导控制系统的设计流程,为制导控制一体化设计提供了一种新的分析思路。数值仿真结果验证了本文提出的制导控制一体化设计方法的有效性和鲁棒性。     

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。     

Control-oriented Modeling for Air-breathing Hypersonic Vehicle Using Parameterized Configuration Approach

This article presents a parameterized configuration modeling approach to develop a 6 degrees of freedom (DOF) rigid-body model for air-breathing hypersonic vehicle (AHV). The modeling process involves the parameterized configuration design, inviscous hypersonic aerodynamic force calculation and scramjet engine modeling. The parameters are designed for airframe-propulsion integration configuration, the aerodynamic force calculation is based on engineering experimental methods, and the engine model is acquired from gas dynamics and quasi-one dimensional combustor calculations. Multivariate fitting is used to obtain analytical equations for aerodynamic force and thrust. Furthermore, the fitting accuracy is evaluated by relative error (RE). Trim results show that the model can be applied to the investigation of control method for AHV during the cruise phase. The modeling process integrates several disciplines such as configuration design, aerodynamic calculation, scramjet modeling and control method. Therefore the modeling method makes it possible to conduct AHV aerodynamics/propulsion/control integration design.     

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。     

一体化高超声速飞行器气动特性数值仿真

采用二维耦合隐式N-S(Navier-Stokes)方程和标准k-ε湍流模型对具有哈克外形头部的一体化高超声速飞行器在进气道关闭、发动机通流以及发动机点火状态下的升力特性、阻力特性、俯仰力矩特性以及升阻比特性进行了数值模拟,考察了机身头部长细比对其气动性能的影响,结果发现,在第一种定义方式下的飞行器构型气动性能改良程度明显高于第二种定义方式,同时,随着机身头部长细比的增加,一体化高超声速飞行器的气动性能得到明显提高,可以满足飞行器巡航时的气动要求.      

Multidisciplinary Design and Optimization of Multistage Ground-launched Boost Phase Interceptor Using Hybrid Search Algorithm

This article proposes a multidisciplinary design and optimization (MDO) strategy for the conceptual design of a multistage ground-based interceptor (GBI) using hybrid optimization algorithm, which associates genetic algorithm (GA) as a global optimizer with sequential quadratic programming (SQP) as a local optimizer. The interceptor is comprised of a three-stage solid propulsion system for an exoatmospheric boost phase intercept (BPI). The interceptor's duty is to deliver a kinetic kill vehicle (KKV) to the optimal position in space to accomplish the mission of intercept. The modules for propulsion, aerodynamics, mass properties and flight dynamics are integrated to produce a high fidelity model of the entire vehicle. The propulsion module comprises of solid rocket motor (SRM) grain design, nozzle geometry design and performance prediction analysis. Internal ballistics and performance prediction parameters are calculated by using lumped parameter method. The design objective is to minimize the gross lift off mass (GLOM) of the interceptor under the mission constraints and performance objectives. The proposed design and optimization methodology provide designers with an efficient and powerful approach in computation during designing interceptor systems.     

面向控制的高超声速飞行器总体优化设计方法

从前期高超声速飞行器基础理论以及关键技术的研究到现今的飞行试验可以看出,高超声速飞行器在总体设计阶段过晚考虑飞行器动力学特性和控制性能会给后期控制系统设计带来极大的困难。在对两类高超声速飞行器试飞与控制相关问题分析的基础上,提出了面向控制的高超声速飞行器总体优化设计方法,给出了面向控制的总体优化设计研究方法、思路和模块框架。