高超声速飞行器乘波体构型及其设计

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1、高超声速飞行器乘波体构型及其设计摘要：高超声速飞行器由于具有高空高速、巡航距离远以及突防能力强的特点而备受追捧，而乘波体构型正能满足这些要求。在欧拉方程的基础上，国际上提出了多种基于楔形流动和锥形流动的乘波体构造方法。此外，也提出了考虑如粘性效应等其他因素的优化方法。这些方法都将乘波体飞行器不断向工程应用推进。关键词：乘波体附体激波自由流线追踪流线1引言高超声速飞行器由于具有速度快、高度高、巡航距离远以及突防能力强的特点，近年来逐渐受到追捧。而相应的，为实现以上特点，对于其机体必须采用一种高升阻比和强机动性[1]的气动外形。目前比较适合的气动外形有

2、旋成体、翼身融合体、升力体和乘波体等。旋成体在Ma<1时升阻比较高，结构简单，但高马赫数飞行时机动性较差，比较适用于各种型号的导弹；翼身融合体机身机翼相融合，亦在Ma<1时升阻比较高，气动阻力小，内部容积大，但外形复杂，适用于超声速战斗机、战略轰炸机等；升力体没有机翼结构，Ma>1时升阻比都比较高，大迎角下和高超声速时有较好气动特性，内部体积利用率高，但外形复[2]杂，比较适用于航天飞机和空天飞机等。而乘波体则是指一种外形是流线型，其所有的前缘都具有浮体激波的超声速或高超声速的飞行器。它的设计与常规的由外形决定流场再去求解的方法相反，而是先有流场，

3、然后再[3]推导出外形。乘波体构型在高马赫数下具有更高升阻比，特别是对于Ma>5的高超声速飞行器。它具有以下四个显著的优点：（1）乘波体外形的最大优点是低阻、高升力、高升阻比，其上表面没有流场干扰，没有流线偏转，激波限制在外形的前缘,使得在可压区中下表面上的高压同向上倾斜的外形一起组合，获得整个外形上的推力分量。（2）乘波体外形在偏离设计条件下，仍能保持有利的气动性能。（3）乘波体外形更适合使用喷气发动机或冲压发动机。（4）乘波体外形因为是用已知的可以得到精确解的流场设计而成，所以更易于进[4]行优化设计以寻求最优构型。目前，考虑粘性的最优乘波体的

4、研究也已取得了较大进展。因此，乘波体布局的飞行器有着十分广阔的应用前景。既可用作高超音速吸气发动机、气动构形一体化飞行器、单级入轨飞行器，双级入轨飞行器的第一级,也可用作能够穿越大气层的可重复使用的高超音速飞行器。乘波飞行器还可作为高超音速导弹，在大气层内作低空高速飞行，用于低空突防。此外，乘波飞行器可作为高超音速侦察机或略巡航飞机。在民用面，乘波飞行器可设计成一种洲际高超音速客机，主要飞行段的巡航速度可达M5、M6，[5]甚至更高，4h可绕地球一圈。2乘波体构型的生成2.1源于楔形流动的Λ型乘波体构型[6]1959年，Nonweiler提出了由已

5、知得流场构造三维高超音速飞行器的观点。Nonweiler选择平面斜激波后的流场来生成有∧型横截面和三角翼平面的构型。Λ乘波构型的生成过程[7]如下：（1）假定有一角度为δ的尖劈，置于超声速马赫数M，攻角α=0的气流中，产生的流场就是源流场：激波前为自由流，激波为平面激波，激波角为β，激波后的流场有精确解，如图2.1.1所示。尖劈平面激波图2.1.1尖劈及其生产的源流场（2）选一Λ型柱面，将其平行于来流方向地置于上述流场中，与激波平面的交线即为乘波体前缘线。从前缘线上的各点追踪激波后的流线，这些流线形成的流面作为乘波体的下表面；前缘线至截至平面之间的

6、捕捉管面形成乘波体的上表面。如图2.2.2所示。图2.2.2Λ型乘波体上下表面的生成及其构型为更好地理解该构型是如何形成前缘附体激波的，如图2.2.3所示，选取Λ型柱面中央剖面与左侧与之平行的任一剖面。两剖面的上边线皆为自由流线，互相平行；下边线皆为从Λ型柱面前缘曲线出发的追踪流线，亦相互平行。这就好像两个相似的楔形尖劈，具有相同的气流偏转角，故也有相同的激波角，于是他们形成的激波恰好在同一平面上，于是整个Λ型柱面则会形成同一平面的前缘附体激波面。Λ型柱面下高压气体就不会绕过边界到其上表面造成升力损失。乘波构型激波面2.2.3Λ型乘波体构型剖面2.

7、2源于锥形流动的乘波体构型[8]这种方法是Rasmussen在1980年根据高超声速小扰动理论提出的。他还对这些乘波构型进行了马赫数3～5范围的实验研究，证实了乘波体的设计理论，试验测量的压力分布[9]表明所构造乘波体下表面流动是锥形的。当超音速气流流经一个圆锥时，会产生一道圆锥形激波。若在这个锥形流场内选择一个流面作为下表面，再选取一个如图2.2(a)所示标有斜线和竖线的表面形成一个乘波体构型，则超音速气流也会在此升力体下方形成一个由紧贴在构型前缘的圆锥激波面，在激波面后也是一个高压区。具体的生成步骤为：首先，生成无粘锥形流场，然后，选择自由捕捉

8、面，它与锥体激波相交的交线即为前缘曲线，通过前缘曲线到锥体底部向下游追踪流线，即可生成乘波构型的下表面，通过前缘曲线向后跟