高超聲速飛行器乘波布局優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、高超聲速技術(shù)是研究以吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的高超聲速飛行器的技術(shù)，它代表著一個(gè)國(guó)家未來(lái)開發(fā)并利用空間的能力，是衡量軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力和生存力的重要標(biāo)志，具有重要的軍事價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景；同時(shí)，高超聲速技術(shù)又是一項(xiàng)集航空、航天技術(shù)優(yōu)勢(shì)相互融合的新領(lǐng)域，將極大地帶動(dòng)材料、推進(jìn)、氣動(dòng)、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(jì)航空航天技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。 高超聲速飛行器的氣動(dòng)布局和總體性能優(yōu)化設(shè)計(jì)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(diǎn)、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(jì)難度較大，傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法難以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。對(duì)高超聲速飛行器氣動(dòng)性能的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在總結(jié)和發(fā)展一套高超聲速飛行器氣動(dòng)布局的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法。 論文以吸氣式高超聲速巡航飛行器為研究對(duì)象，通過(guò)建立飛行器的參數(shù)化模型，引入多目標(biāo)遺傳算法和多目標(biāo)混合遺傳算法，以巡航飛行階段的氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱、雷達(dá)散射截面(RCS)、操穩(wěn)性能、機(jī)身容積以及機(jī)體/推進(jìn)的一體化作為優(yōu)

3、化目標(biāo)，對(duì)高超聲速飛行器氣動(dòng)布局的部件優(yōu)化設(shè)計(jì)、總體優(yōu)化設(shè)計(jì)和機(jī)體/推進(jìn)一體化設(shè)計(jì)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(dòng)布局和性能的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)框架。借助理論分析、工程計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)、構(gòu)型分析對(duì)比和數(shù)值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等手段，在高超聲速飛行器幾何建模、性能指標(biāo)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(dòng)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)飛行器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?？傮w性能應(yīng)涵蓋氣動(dòng)力、熱、RCS、操穩(wěn)特性、機(jī)身容積以及機(jī)體/推進(jìn)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(biāo)。這一優(yōu)化方法深化了傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)思想，成為高超聲速飛行器優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)的角度完善了各種性能指標(biāo)的工程計(jì)算方法。在氣動(dòng)力、熱和RCS的計(jì)算中，考慮了較多的影響因素，建立了較完整的性能指標(biāo)計(jì)算模型。尤其是在RCS計(jì)算中，考慮了面元遮擋和多次反射效應(yīng)；并針對(duì)翼身二面角結(jié)構(gòu)具有梯形翼面和機(jī)身遮擋等特點(diǎn)，提出了等效照明面積概念，將理想二面角反射器的計(jì)算公式擴(kuò)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(dòng)機(jī)性能分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用一維性能計(jì)算模型，進(jìn)行了貫穿整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)流道的機(jī)體/推進(jìn)一體化設(shè)計(jì)，克服了以往將前體/進(jìn)氣道和后體/尾噴管分開優(yōu)化的缺陷。 6)針對(duì)氣動(dòng)性能的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法，建立了有約束的基于Pareto 級(jí)別概念進(jìn)行全局和局部搜索的多目標(biāo)遺傳算法和多目標(biāo)混合遺傳算法；并首次將多目標(biāo)混合遺傳算法用于高超聲速飛行器氣動(dòng)布局總體優(yōu)化設(shè)計(jì)這類大規(guī)模復(fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，獲得了從不同角

7、度、不同性能指標(biāo)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(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，達(dá)到了優(yōu)化效果。 論文的研究工作，首次將多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法從常規(guī)飛行器引入到高超聲速飛行器氣動(dòng)布局總體性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法只注重飛行器局部性能，對(duì)總體性能涵蓋不夠的缺點(diǎn)，提高了飛行器的設(shè)計(jì)水平。同時(shí)，通過(guò)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)構(gòu)型的計(jì)算、分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)出一套高超聲速飛行器氣動(dòng)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法與理論，具有重要?jiǎng)?chuàng)新意義和工程應(yīng)用價(jià)值。