二次曲线剖面升力体气动布局设计及优化.doc

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1、第八届全国流体力学学术会议2014年9月18～21日甘肃兰州CSTAM2014-B01-0141二次曲线剖面升力体气动布局设计及优化李广利，崔凯，屈志朋，肖尧，胡守超中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室Copyright©2014版权所有中国力学学会地址:北京市北四环西路15号　邮政编码:100190　Address:No.15BeisihuanxiRoad,Beijing100190二次曲线剖面升力体气动布局设计及优化李广利，崔凯1），屈志朋，肖尧，胡守超（中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室，北京海淀区100190）摘要本文所研究的对象为一种二次曲

2、线剖面升力体气动布局的飞行器。整个飞行器主要由机体和四个襟翼组成，机体由较为复杂的空间曲面构成，前端以球头形式钝化，其俯视平面边缘线是一条二次曲线，侧视边缘线为三锥。其中一锥、二锥和尾缘剖面曲线均为二次曲线，机体三锥在四个象限分别切割平面放置襟翼，整个机体沿水平和垂直面分别镜像对称。整个外形采用27个设计参数进行描述，并分为常量变量和设计变量。给定四个设计变量的变化范围，采用均匀实验设计的方法对气动参数优化和分析。优化设计分两轮进行，第二轮优化基于第一轮的结果进行。优化结果表明，飞行器升力、阻力、俯仰力矩和压心随机体宽度的变化比较敏感，与其他几个变量的变化不明显。且升阻比与升

3、力和阻力均呈反比关系，说明该部件是低阻力部件，高升阻比的获得主要是阻力的降低，但同时以降低升力为代价。此外，升阻比和压心也呈较为明显的反比关系，即升阻比越大，压心越靠前。关键词二次曲线，升力体，参数化，升阻比。引言高超声速飞行器实现机动飞行最关键的技术是要满足防热和操稳要求的高升阻比布局[1]，由于升力体布局可以容易地获得需要的升阻比和稳定配平，并且具有较好的容积效率，自20世纪50年代起美国和前苏联就开始了升力体布局的研究工作[2-3]，NASA在Ames进行了M1、和M2的布局研究，并最终进行了M2F1、M2F2和M2F3的飞行试验，Langley的早期研究工作集中在HL

4、-10的实验中，空军的早期工作集中在WADDⅡ上，而且还研究了MDF系列升力体。利用二次曲线可以构造圆、椭圆、抛物线和双曲线等典型的飞行器截面形状，可以快速简便且精确地构造各种二次曲线截面的升力体形状。唐伟[4]等利用二次曲线生成飞行器外形并提出建立了二次曲线截面弹身的优化设计模型，获得了横截面分别为圆截面、椭圆截面、抛物线、双曲线截面和未加限制的二次曲线横截面的优化外形。本文通过二次曲线生成方法设计了二次曲线剖面的升力体构型，并通过有限的参数对飞行器进行描述，并对重要参数采用均匀实验设计方法[5]对其气动性能研究分析。飞行器外形参数化描述本文所针对的飞行器为一种较为特殊的升

5、力体外形，由机体和四个Flap组成。实际中一个具体的实例如图1所示。图1实际飞行器的一个具体实例如上图所示，飞行器机体由较为复杂的空间曲面构成，前端以球头形式钝化，其俯视平面边缘线（水平面投影）是一条二次曲线，侧视（垂直面投影）边缘线为三锥。其一锥、二锥和尾缘剖面曲线均为二次曲线。给定上述边缘线形状后，整个机体外形可唯一确定。机体三锥部分在四个象限分别切割出平面，其上放置四个Flap，整个机体沿水平面和垂直面镜像对称。由上可见，整个机体主要基于二次曲线定义，这里二次曲线的一般形式为：此处共5个设计参数，实际中需给定5个定解条件。这里给定条件为曲线两个端点坐标值，两个端点的斜率

6、（导数），以及中间曲度控制点值。随着定义参数的不同，此曲线可分别表达椭圆、抛物线及双曲线。整个飞行器由机体和Flap两部分组成，整个飞行器的参数化也分别针对这两部分。除上述两部分的外形参数描述外，还包括一系列装配参数及一个控制参数。如图2所示，机体外形描述主要由外轮廓参数和截面曲线控制参数组成，图中仅列出了主要的外形轮廓参数，结合截面曲线控制参数以及确定Flap安装平面的三个点的定解条件，机体控制参数共16个，16个参数值确定后，整个机体可唯一确定。图3给出了Flap外形的示意图，实际为一个长方体，其外形分别由长宽高三个参数确定。除上述机体和Flap参数外，还要给定机体和Fl

7、ap的参数，共计6个装配参数。此外，这里还增加了有无Flap的控制参数0和1，这里0为机体外形，1为机体和Flap的外形。综上所述，整个飞行器外形由27个参数确定。图2机体外形参数化描述图3Flap外形示意图气动参数优化及分析外形参数采用前述的27个，分为常量参数和设计变量两类。设计变量为几个对外形和气动性能影响较大的参数，这里设计变量为一锥长度XC1、二锥长度XC2、尾缘半宽度和机体剖面的曲度，共计4个设计变量。采用均匀实验设计方法开展优化设计，该过程分为两轮，每一轮的算例为50个，共计100个算例。