高超聲速飛行器乘波布局優(yōu)化設計研究.pdf

1、高超聲速技術是研究以吸氣式發(fā)動機為動力的高超聲速飛行器的技術，它代表著一個國家未來開發(fā)并利用空間的能力，是衡量軍隊戰(zhàn)斗力和生存力的重要標志，具有重要的軍事價值和廣泛的應用前景；同時，高超聲速技術又是一項集航空、航天技術優(yōu)勢相互融合的新領域，將極大地帶動材料、推進、氣動、控制、電子等學科領域的深入發(fā)展，由此成為二十一世紀航空航天技術領域的戰(zhàn)略制高點。 高超聲速飛行器的氣動布局和總體性能優(yōu)化設計是高超聲速飛行器的技術關鍵。由于它高

2、空高速的特點、復雜的飛行環(huán)境和不同的執(zhí)行任務，使得飛行器的優(yōu)化設計難度較大，傳統(tǒng)優(yōu)化設計方法難以達到設計目標。對高超聲速飛行器氣動性能的總體優(yōu)化設計，旨在總結和發(fā)展一套高超聲速飛行器氣動布局的總體優(yōu)化設計理論與方法。 論文以吸氣式高超聲速巡航飛行器為研究對象，通過建立飛行器的參數(shù)化模型，引入多目標遺傳算法和多目標混合遺傳算法，以巡航飛行階段的氣動力、氣動熱、雷達散射截面(RCS)、操穩(wěn)性能、機身容積以及機體/推進的一體化作為優(yōu)

3、化目標，對高超聲速飛行器氣動布局的部件優(yōu)化設計、總體優(yōu)化設計和機體/推進一體化設計展開了全面深入渤究，取得了一系列創(chuàng)新成果： 1)構造了高超聲速飛行器氣動布局和性能的總體優(yōu)化設計框架。借助理論分析、工程計算、優(yōu)化設計、構型分析對比和數(shù)值實驗驗證等手段，在高超聲速飛行器幾何建模、性能指標建模、優(yōu)化算法建模的基礎上，構造了高超聲速飛行器氣動布局優(yōu)化設計的總體框架。 2)總結和發(fā)展了一套高超聲速飛行器氣動布局優(yōu)化設計的理論

4、與方法，提出應從飛行器總體性能和全局、系統(tǒng)的高度出發(fā)對飛行器進行優(yōu)化設計?？傮w性能應涵蓋氣動力、熱、RCS、操穩(wěn)特性、機身容積以及機體/推進的一體化，或根據(jù)飛行任務和環(huán)境增加其它的性能指標。這一優(yōu)化方法深化了傳統(tǒng)優(yōu)化設計思想，成為高超聲速飛行器優(yōu)化設計領域的新方法。 3)建立了全面描述高超聲速飛行器類乘波體外形的參數(shù)化模型。采用該參數(shù)化模型，可以描述所有同類高超聲速飛行器的外形，并可將建立參數(shù)化模型的思想用于其它飛行器的參數(shù)化

5、，提供了用數(shù)值方法優(yōu)化具有復雜外形飛行器的技術基礎。 4)從優(yōu)化設計的角度完善了各種性能指標的工程計算方法。在氣動力、熱和RCS的計算中，考慮了較多的影響因素，建立了較完整的性能指標計算模型。尤其是在RCS計算中，考慮了面元遮擋和多次反射效應；并針對翼身二面角結構具有梯形翼面和機身遮擋等特點，提出了等效照明面積概念，將理想二面角反射器的計算公式擴展到由不規(guī)則平面構成的有遮擋物存在的不完全二面角結構情況。 5)在高超聲

6、速飛行器超燃沖壓發(fā)動機性能分析的基礎上，應用一維性能計算模型，進行了貫穿整個發(fā)動機流道的機體/推進一體化設計，克服了以往將前體/進氣道和后體/尾噴管分開優(yōu)化的缺陷。 6)針對氣動性能的總體優(yōu)化設計，通過改進標準遺傳算法，建立了有約束的基于Pareto 級別概念進行全局和局部搜索的多目標遺傳算法和多目標混合遺傳算法；并首次將多目標混合遺傳算法用于高超聲速飛行器氣動布局總體優(yōu)化設計這類大規(guī)模復雜的多目標優(yōu)化設計領域，獲得了從不同角

7、度、不同性能指標選擇的優(yōu)化結果——D、E、F、G、H最優(yōu)布局構型，初步實現(xiàn)了設計目標，達到了優(yōu)化效果。 論文的研究工作，首次將多目標優(yōu)化設計方法從常規(guī)飛行器引入到高超聲速飛行器氣動布局總體性能優(yōu)化設計，克服了傳統(tǒng)優(yōu)化設計方法只注重飛行器局部性能，對總體性能涵蓋不夠的缺點，提高了飛行器的設計水平。同時，通過對優(yōu)化設計構型的計算、分析和實驗驗證，總結出一套高超聲速飛行器氣動布局優(yōu)化設計的方法與理論，具有重要創(chuàng)新意義和工程應用價值。