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面向总体性能的高速飞行器布局优化

邓帆 焦子涵 付秋军 陈林 田书玲 张栋

邓帆, 焦子涵, 付秋军, 等 . 面向总体性能的高速飞行器布局优化[J]. 北京航空航天大学学报, 2016, 42(12): 2587-2595. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0847
引用本文: 邓帆, 焦子涵, 付秋军, 等 . 面向总体性能的高速飞行器布局优化[J]. 北京航空航天大学学报, 2016, 42(12): 2587-2595. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0847
DENG Fan, JIAO Zihan, FU Qiujun, et al. Hypersonic vehicle shape optimal design based on overall performance[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2016, 42(12): 2587-2595. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0847(in Chinese)
Citation: DENG Fan, JIAO Zihan, FU Qiujun, et al. Hypersonic vehicle shape optimal design based on overall performance[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2016, 42(12): 2587-2595. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0847(in Chinese)

面向总体性能的高速飞行器布局优化

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0847
详细信息
    作者简介:

    焦子涵, 男, 硕士, 工程师。主要研究方向:飞行器气动布局设计。Tel.:010-88531845, E-mail:zihan325@126.com

    付秋军, 男, 博士, 研究员。主要研究方向:飞行器总体设计。Tel.:010-68381167, E-mail:fuqiujun@163.com

    陈林, 男, 博士, 高级工程师。主要研究方向:空气动力学、飞行器设计。Tel.:010-88531845, E-mail:chenlincfd@gmail.com

    田书玲, 男, 博士, 副教授。主要研究方向:计算流体力学、飞行器优化设计。Tel.:025-84892735, E-mail:shulingtian@nuaa.edu.cn

    张栋, 男, 博士, 讲师。主要研究方向:飞行器动力学建模与控制。Tel.:029-88492788, E-mail:zhangdong@nwpu.edu.cn

    通讯作者:

    邓帆, 男, 博士, 高级工程师。主要研究方向:飞行器总体设计。Tel.:010-68199538, E-mail:dengfan8245@sina.cn

  • 中图分类号: V221+.3;V211.3;V211.7

Hypersonic vehicle shape optimal design based on overall performance

More Information
  • 摘要:

    飞行器气动布局的选型和优化技术在总体设计中处于关键地位,在临近空间飞行的飞行器对升阻比和操控性能都提出了更高的要求。翼身组合的升力体外形由于兼顾内部装填以及升阻特性成为了目前高速飞行器主要的设计方向。以一类具有普适性的面对称升力体外形为基础,采用相关性分析手段提取出飞行器的关键几何参数,挖掘出几何参数对所关心的总体性能指标的影响度大小,并建立起基于CFD方法的气动布局优化平台,以总体性能指标为约束,优化出高升阻比外形,通过风洞试验验证了优化设计方法的有效性,为高速飞行器的气动布局工程化设计提供了有效的技术手段。

     

  • 图 1  初始参数化外形示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of initial parameterized shape

    图 2  快速工程算法有效性验证(Ma=10.5, α=-4°, β=2°)

    Figure 2.  Effectiveness verification of engineering algorithm (Ma=10.5, α=-4°, β=2°)

    图 3  快速优化设计方法流程图

    Figure 3.  Flowchart of fast optimization design method

    图 4  样本点计算网格拓扑和压力分布云图

    Figure 4.  Computational grid topology and pressure distribution contours of sample points

    图 5  初始外形与优化外形对比

    Figure 5.  Comparison between initial and optimum shapes

    图 6  飞行器优化前后流场结构对比

    Figure 6.  Flow structure comparison of initial and optimum vehicle

    图 7  优化前后外形纹影图(Ma=8)

    Figure 7.  Schlieren pictures of initial and optimum shapes (Ma=8)

    图 8  优化前后外形升阻性能曲线比较

    Figure 8.  Lift and drag curves of initial and optimum shapes

    表  1  参数化建模的主要几何参数

    Table  1.   Main geometrical parameters of parametric modelling

    参数 物理意义 取值范围
    α1up/(°) 一锥上锥角 (8, 15)
    α2up/(°) 二锥上锥角 (0, 5)
    βWB/(°) 水平翼后端面处翼安装角 (-2, +2)
    Rhead/mm 端头半径 (10, 50)
    Rfyrd/mm 俯仰舵前缘半径 (10, 20)
    CL1 一锥长度占总长的百分比 (0, 0.5)
    ρwing 水平翼二次曲线形状系数 (0.3, 0.9)
    CWS 水平翼起始位置长度系数 (0, 1)
    αwing/(°) 水平翼后缘后掠角 (-50, 50)
    αfyrd/(°) 俯仰舵前缘后掠角 (0, 50)
    dBlw/mm BB下截面宽度 (358, 558)
    ηfyrd/mm 俯仰舵外露展长 (600, 700)
    L/mm 飞行器总长 (2 000, 3 000)
    fxrd_turn 俯仰舵舵轴位置系数 (0.1, 0.9)
    Czita 俯仰舵在体身z向位置系数 (0.2, 0.8)
    CLW 水平翼截止位置长度系数 (0, 1)
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    表  2  一阶灵敏度函数

    Table  2.   First-order sensitivity function

    类型 表达式 正则表达式 维数
    一阶基准 f/x Δfx f/x
    一阶百分比 (f/x)x Δf f
    一阶对数 (f/x)(x/f) fx)(x/f)
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    表  3  参数敏感性排序

    Table  3.   Rank of sensitive parameters on each factor

    尺寸定义 k(按影响度从大到小排序)
    长度 L Rfyrd ηfyrd dBlw Rhead
    角度 α1up βWB α2up αwing αfyrd
    系数 CLW CL1 CWS ρwing Czita
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    表  4  典型马赫数状态

    Table  4.   Parameters of typical Mach number

    H/km Ma T0/K P0/(105Pa) /10-3 ReL/(107m-1)
    33.02 5.16 290 6.70 2.43 1.97
    38.21 8.17 435 33.28 4.16 1.64
    41.72 10.60 596 95.90 5.69 1.43
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    表  5  优化前后气动特性(Ma=8,α=8°)

    Table  5.   Aerodynamic characteristics before and after optimization (Ma=8, α=8°)

    外形 CA CN κ
    初始外形 0.286 2 1.599 6 3.051 5
    优化外形 0.192 9 1.434 0 3.566 8
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-12-25
  • 录用日期:  2016-01-22
  • 网络出版日期:  2017-12-20

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