双后掠乘波体设计及性能优势分析.pdf

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaJun252017VoI．38No．6SSN1000．6893CN11-1929／VhttD：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．educn双后掠乘波体设计及性能优势分析刘传振，白鹏*，陈冰雁中国航天空气动力技术研究院，北京100074摘要：根据密切锥乘波体的设计几何关系，提出双后掠乘波体概念，给出了双后掠乘波体设计的参数与生成乘波体外形之间的关系。使用非均匀有理B样条(NURBS)表达包括圆和直线的激波出口型线辅助设计，研究了钝头区域可控、

2、后掠区域可控的乘波体外形设计方法。使用cFD数值计算方法验证了设计方法的有效性，同时研究了双后掠乘波体外形的性能优势，结果表明在保持高超声速高性能的基础上适当设计外形在低速状态、纵向稳定性和涡效应增升方面具有性能优势，为大空域宽速域高超声速飞行器的研制开拓了新的途径。关键词：乘波体；双后掠；低速性能；稳定性；涡升力中图分类号：V211．5文献标识码：A文章编号：1000一6893(2017)06—120808—11高升力超声速／高超声速外形一直是人类不懈的追求。根据高超声速无黏流动的双曲型特征，飞行器的气动性能可以在很大程度上得以提高，

3、乘波体就是利用这一特性的典型外形。乘波体通过附着激波将高压气流限制在飞行器下表面阻止流动泄露，有效突破了高超声速飞行器的升阻屏障，具有很高的升阻比。经过几十年的发展，乘波体从早期的单一构型逐渐发展为具有不同特点的复杂构型。Nonweiler首先提出了楔形流场乘波体[1]，Jones等使用锥形流场进行设计，有效提高了乘波体的容积率瞳]，后续有些学者发展了其他的基准流场，从带迎角锥、椭圆锥流动[3。43等到一般三维流动[561都有涉及，大大拓展了设计空间，而密切锥方法[73的提出更是提高了灵活性，可以得到具有特殊性质的乘波体外形[8_9]。

4、乘波体的工程应用目前仍然有诸多限制，主要问题有3点：容积率不高，低速状态气动性能不好，纵向稳定性难以保证。目前有一些解决方法，例如容积率可以通过修改上表面外形进行扩充[10

5、，低速状态则可以通过串联不同设计状态的乘波体提高[11

6、，纵向稳定性则可以通过改变基准流场部分改善[12I。这些方法具有较好的工程应用价值，但大部分手段灵活性和可控性不好，难以提取设计参数进行控制。乘波体外形一般根据高超声速流场通过流线追踪得到，其生成曲面具有独特的特征，难以自由设计，但乘波体的平面形状可以通过设计曲线进行修改，这为改善乘波体在非设计点的气动性能提供

7、了一种非常值得考虑的思路，而定后掠角乘波体的概念则为这一思路提供了有效途径。定后掠角乘波体由来已久。Starkey和I。ew—is[1朝提出了一种定常楔形角乘波体方法，Jones介绍了一种设计曲线过圆锥顶点的定后掠乘波体，但这些设计方法有的不够灵活，有的设计空间受限，应用较少。最近几年，洛克希德·马丁公司收稿日期：2016—09—21；退修日期：2016—10—10；录用日期：2016．11．07；网络出版时间：2016．11—1515：56网络出版地址：wwwcnkinet／kcms／detail／111929．v．20161115．

8、1556．004．htmI基金项目：国家自然科学基金(11672281)*通讯作者．E·mail：baipengaero@163．com现用格武l柏传振。白鹅．陈泳罹．双后掠乘渡体设计及性能优势分析!JI．航空学报．2017．38(6)：

9、20808iL

10、UcZ．8AIP．cHENBY．DesIgnana口ooertyadvantagesana

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13、odi[1。¨3从密切锥乘波体设计方法出发，提出了定后掠角密切锥和密切流场乘波体的概念，介绍了这类乘波体潜在的性能优势；段焰辉等¨61则给出了定后掠角乘波体具体的设计方法，提取设计变量进行了分析研究。通过这些工作设计得到了给定前缘的三角翼乘波体，为通过定制平面形状改善乘波体的气动性能奠定了基础。本文延伸了定后掠乘波体概念，通过对设计曲线的修改提出了双后掠乘波体的概念，大大提高了密切锥方法的灵活性，同时使用非均匀有理B样条(Non—UniformRationalB—SpIine，NURBS)表达设计曲线进行辅助设计，增强了设计方法的可控性

14、，并保证了乘波体曲面的连续光滑。双后掠乘波体外形兼顾了不同速域性能的气动优势，本文使用计算流体力学(computationalFIuidDynam—ics，CFD)方法对其亚声速状态、纵向稳定性以及涡升力非