高超聲速飛行器外形優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究.pdf

1、高超聲速飛行器作為實現(xiàn)“空天往返”和追求“全球即時到達”的有效工具，既可滿足情報搜集、通信保障、偵察監(jiān)控和武器裝備系統(tǒng)的遠程戰(zhàn)略投送等軍事需求，也是發(fā)展未來跨大氣層飛行器和實現(xiàn)高速遠程交通的潛在途徑，具有重要的研究和發(fā)展價值。本文從概念設(shè)計階段的外形優(yōu)化設(shè)計角度對高超聲速飛行器設(shè)計技術(shù)進行了以下個幾方面的研究：
　　 高超聲速飛行器概念設(shè)計階段需要綜合權(quán)衡氣動力/氣動熱、飛行軌跡、載荷條件、甚至雷達散射截面等各種設(shè)計因素，期望通

2、過一組較少的設(shè)計參數(shù)準確描述飛行器外形，快速實現(xiàn)尺寸和形狀驅(qū)動的參數(shù)化幾何建模。本文采用類型函數(shù)/形狀函數(shù)變換技術(shù)建立飛行器參數(shù)化幾何模型，通過調(diào)整少量尺寸參數(shù)或類型函數(shù)/形狀函數(shù)控制參數(shù)便可以衍生出多種設(shè)計構(gòu)型。翼型、機翼、升力體和乘波體等典型布局飛行器的外形建模與應(yīng)用表明該方法簡單、有效、適應(yīng)性強，不僅能滿足飛行器概念設(shè)計階段外形優(yōu)化的要求，也為基于尺寸和形狀驅(qū)動的飛行器多學科設(shè)計優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
　　 概念設(shè)計階段需要對眾

3、多外形設(shè)計方案進行考察、比較和篩選。鑒于飛行器設(shè)計初期便大量使用CFD方式計算氣動特性仍然面臨著計算效率方面的挑戰(zhàn)，風洞試驗和經(jīng)典工程方法的大量應(yīng)用盡管已經(jīng)表明其能夠提供具有一定精度的估算結(jié)果，但都未很好地考慮真實氣體效應(yīng)。本文結(jié)合經(jīng)典的切楔法、切錐法、Prandtl-Meyer法和參考溫度法分別對升力體高超聲速風洞試驗?zāi)Ｐ?、乘波體構(gòu)型和類X-33外形進行了高超聲速氣動力廣氣動熱工程估算，計算結(jié)果表明工程方法能夠滿足概念設(shè)計精度需要。在

4、此基礎(chǔ)上，通過引入考慮真實氣體效應(yīng)的工程方法使無翼再入飛行器的氣動力/氣動熱估算在一定程度上計及真實氣體效應(yīng)。
　　 為以合理的計算開銷完成外形優(yōu)化，提出了一種使用最優(yōu)拉丁超立方抽樣進行實驗設(shè)計，將徑向基函數(shù)作為近似方法，并通過序貫采樣后驗策略改善擬合優(yōu)度的代理模型構(gòu)建方法。對升力體外形實現(xiàn)了以升阻比和容積利用率最大化為目標的折衷優(yōu)化，得到包含一系列改進設(shè)計方案的Pareto-前端與Pareto-解集，其中，升力體布局得到的優(yōu)化

5、構(gòu)型目標響應(yīng)相對實際分析值誤差均在6.1％以內(nèi)。優(yōu)化設(shè)計結(jié)果表明該方法既可以通過代理模型大幅提升設(shè)計效率，降低應(yīng)用全局優(yōu)化算法的計算復(fù)雜度，又能夠得到滿足概念設(shè)計精度需要的設(shè)計方案，有利于概念設(shè)計中定量高效地實現(xiàn)多個設(shè)計目標的折衷優(yōu)化，明確飛行器外形修改方向。
　　 針對概念設(shè)計需要綜合比較一系列備選方案的設(shè)計需求，提出了一種基于減法聚類從高維Pareto-前端中提取典型設(shè)計構(gòu)型并運用分層圖這一可視化方式實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計構(gòu)型定量篩選

6、的設(shè)計思路。無翼再入飛行器的設(shè)計實踐表明，綜合考慮升阻比、容積利用率最大化和熱流量最小化的多目標優(yōu)化設(shè)計，可以在不損失容積利用率的情況下，使設(shè)計點處配平升阻比從0.65提高到0.94。該方法既有利于概念設(shè)計中有效壓縮設(shè)計空間，又便于確定飛行器外形設(shè)計參數(shù)選擇的方向和范圍。
　　 最后，以無翼再入飛行器外形設(shè)計為例，通過加入基于Gauss偽譜法的軌跡優(yōu)化模塊，實現(xiàn)了高超聲速再入飛行器的外形多學科設(shè)計優(yōu)化。在滿足軌跡約束條件的情況下