高超聲速飛行器乘波布局優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、高超聲速技術(shù)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(shù)，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?wèi)?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(yīng)用前景；同時，高超聲速技術(shù)又是一項集航空、航天技術(shù)優(yōu)勢相互融合的新領(lǐng)域，將極大地帶動材料、推進、氣動、控制、電子等學(xué)科領(lǐng)域的深入發(fā)展，由此成為二十一世紀航空航天技術(shù)領(lǐng)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(shè)計是高超聲速飛行器的技術(shù)關(guān)鍵。由于它高

2、空高速的特點、復(fù)雜的飛行環(huán)境和不同的執(zhí)行任務(wù)，使得飛行器的優(yōu)化設(shè)計難度較大，傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法難以達到設(shè)計目標。對高超聲速飛行器氣動性能的總體優(yōu)化設(shè)計，旨在總結(jié)和發(fā)展一套高超聲速飛行器氣動布局的總體優(yōu)化設(shè)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(shè)計、總體優(yōu)化設(shè)計和機體/推進一體化設(shè)計展開了全面深入渤究，取得了一系列創(chuàng)新成果： 1)構(gòu)造了高超聲速飛行器氣動布局和性能的總體優(yōu)化設(shè)計框架。借助理論分析、工程計算、優(yōu)化設(shè)計、構(gòu)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(chǔ)上，構(gòu)造了高超聲速飛行器氣動布局優(yōu)化設(shè)計的總體框架。 2)總結(jié)和發(fā)展了一套高超聲速飛行器氣動布局優(yōu)化設(shè)計的理論

4、與方法，提出應(yīng)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(shè)計?？傮w性能應(yīng)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(wù)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(shè)計思想，成為高超聲速飛行器優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)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(fù)雜外形飛行器的技術(shù)基礎(chǔ)。 4)從優(yōu)化設(shè)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(yīng)；并針對翼身二面角結(jié)構(gòu)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(gòu)成的有遮擋物存在的不完全二面角結(jié)構(gòu)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(chǔ)上，應(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)計這類大規(guī)模復(fù)雜的多目標優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域，獲得了從不同角

7、度、不同性能指標選擇的優(yōu)化結(jié)果——D、E、F、G、H最優(yōu)布局構(gòu)型，初步實現(xiàn)了設(shè)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(shè)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(shè)計，克服了傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)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(shè)計水平。同時，通過對優(yōu)化設(shè)計構(gòu)型的計算、分析和實驗驗證，總結(jié)出一套高超聲速飛行器氣動布局優(yōu)化設(shè)計的方法與理論，具有重要創(chuàng)新意義和工程應(yīng)用價值。