CN107180134A - 一种可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法，通过确定机身上下轮廓控制线和左右宽度轮廓线，采用二次曲线和基于类型函数与形状函数的CST方法生成对应的截面形状，从而得到整个机身关键站位形状；通过表面放样技术获得整个机身的形状；采用数值计算方法，对流场进行计算；对控制舵面进行匹配设计；对气动外形进行优化。与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明方法综合考虑了高超声速升阻比特性和亚跨超低速进场特性，在满足内外尺寸约束的条件下，设计出了全速域均满足设计需求的可重复使用天地往返飞行器外形，优化获得的飞行器既具备优异的气动性能和较好的防热性能，又具备较好的实用性。

Description

一种可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法

技术领域

本发明涉及一种满足实用性需求的可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法。

背景技术

飞行器外形的设计是飞行器研制最核心的技术，是一个多学科相互交叉耦合作用的复杂综合设计过程，为获得满足设计要求且整体性能最优的飞行器外形，必须根据飞行器的使命及总体布局的要求，考虑各种设计约束条件对飞行器性能的影响，在各学科间进行反复多次迭代，折衷平衡，优化组合。不同的战略目标、使用模式及发射平台催生了高超声速飞行器气动布局及飞行方式的创新式多样化发展，可重复使用天地往返飞行器一直是当前高超声速领域的关注重点之一。

可重复使用天地往返系统必须满足“快速、机动、廉价、可靠”等基本要求，具备高机动、低过载、大运载能力及低成本等特性。为了实现高超声速天地往返飞行，飞行器需要具备较大的再入速度、较浅的再入倾角、较好的减速特性、较大的高超声速配平升阻比及配平升力、较大的亚声速升力，并满足配平状态下俯仰、偏航、滚转三个方向的静动态稳定性，操纵控制方式简单效率高，气动热环境相对较好，防热负担小，内部装填容积及容积利用率较大，各部件几何参数分配合理，质心布置容易实现，易于可重复使用和维护等要求。因此，可以将可重复使用天地往返气动问题归结为高超声速升阻比问题、亚声速升力问题、热防护问题、稳定性与操纵性问题四大核心问题。

从传统的轴对称外形到升力体外形，设计者一直在追求更高的高超声速升阻比、更高的进场升力和更大的气动效益。但对实用型的高超声速飞行器而言，还必须同时兼顾飞行器的容积、容积利用率、侧表面积等总体约束要求，特别是分段装填需求，而飞行器的升阻比与容积利用率通常互为矛盾。因此借鉴多学科设计优化的思想进行可重复使用天地往返飞行器外形的设计是必须解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种能够满足可重复使用及内外尺寸约束需求的可实用化的天地往返飞行器外形设计方法，首先考虑飞行器的防热需求，该飞行器采取钝头升力体外形，机身防热问题并不严重，同时飞行器的机翼及控制舵采用钝化前缘以解决其防热问题。迎风面采用大面积的曲面设计负责提供升力及升阻比，而背风面则考虑装填需求和提供封闭的外形及内部空间，同时考虑了载人情况下的座舱设计。在背风面设计时主要考虑内部装填约束，采用传统二次曲线技术拟合截面形状。该外型背风面设计能够提供很好的装填空间，同时下表面采用升力体概念设计，既能满足稳定性需求，又能满足高升阻比的需求，同时在低速飞行状态下也能具备较好的气动特性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法，包括如下步骤：

步骤一、根据机身长度和不同截面处的尺寸约束，确定机身上下轮廓控制线；

步骤二、根据机身总宽度及设计需求，采用与上下轮廓线相同的方法，利用二次曲线和直线段的拼接，确定机身左右宽度轮廓线；

步骤三、在每一个关键站位处采用二次曲线和基于类型函数与形状函数的CST方法生成对应的截面形状，从而得到整个机身关键站位形状；

步骤四、通过线性或多项式的插值方法，获得沿机身纵向每个站位的截面形状，通过表面放样技术获得整个机身的形状；

步骤五、采用数值计算方法，对流场进行计算，获得机身外形在高超声速和亚跨超声速时的气动特性；

步骤六、采用流线法和片条法计算机身外形和控制舵面的表面热环境特性；

步骤七、对控制舵面进行匹配设计；

步骤八、对气动外形进行优化。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明方法综合考虑了高超声速升阻比特性和亚跨超低速进场特性，在满足内外尺寸约束的条件下，设计出了全速域均满足设计需求的可重复使用天地往返飞行器外形。

本发明方法在飞行器设计过程中考虑了多学科的耦合影响，在概念设计阶段就引入了气动力、气动热环境等多方面的影响，优化获得的飞行器既具备优异的气动性能和较好的防热性能，又具备较好的实用性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为二次曲线方法示意图。

具体实施方式

一种可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法，包括如下步骤：

一、根据设计需要，给定再入飞行马赫数Ma、再入飞行高度H，机身长度L和宽度W，机身头部的半径R，以及不同截面位置x_i处的高度限制h_i。

二、确定机身上下轮廓控制线，根据机身长度和不同截面处的尺寸约束，确定上下轮廓线。按照设想的气动外形初始方案，将轮廓线分段拆分为多条二次曲线和直线段的组合，在各线段的拼接点处，保证轮廓线的斜率相同以确保其光滑。

下轮廓线为球头(圆弧段)、一条二次曲线和一条直线的组合。头部的球头(圆弧)部分的曲线坐标由下式确定：

圆弧结束部分与一条二次曲线(二次曲线的详细描述见第四部分)相接，曲线斜率由与圆弧相切逐渐过渡到水平。二次曲线结束部分接一条水平的直线，形成机身下部的平直部分。

上轮廓线为球头(圆弧段)、两条二次曲线和一条直线的组合。头部的球头(圆弧)部分的曲线坐标与下轮廓线形成方法一致。圆弧结束部分与一条二次曲线相接，曲线斜率由与圆弧相切逐渐过渡到水平，形成机身上表面座舱前方的平坦部分。第二条二次曲线从水平部分开始，形成一个角度接近90°的座舱前部，二次曲线后部的角度过渡到水平，形成座舱的顶部。二次曲线结束部分接一条水平的直线，形成机身上部的平直部分。

根据轮廓约束，可以对上下表面轮廓线进行适当调整，使之既满足约束需求，又满足高升阻比设计需求。

三、确定机身左右宽度轮廓线，按照设想的气动外形初始方案，根据机身总宽度及设计需求，采用与上下轮廓线相同的方法，利用二次曲线和直线段的拼接，确定左右轮廓线。

按照飞行器设计的一般做法，左右轮廓线是对称的。这里以一边的轮廓线为例：右轮廓线为一条二次曲线和一条直线的组合。从机身头部开始，到机身宽度达到最大宽度的位置为止，形成一条二次曲线，二次曲线的角度由头部的接近90°开始逐渐过渡到最大宽度位置的0°(水平)，二次曲线的尾部与一水平直线相接，形成机身右侧的水平的部分。

四、根据上下表面轮廓控制线和左右宽度控制线，采用二次曲线和基于类型函数与形状函数的CST方法生成对应的截面形状。二次曲线方法和CST方法的具体原理如下：

直角坐标系中，二次曲线的一般方程形式如下：

aX²+bXY+cY²+dX+eY+f＝0

采用二次曲线方法可以快速、方便而且精确地生成截面形状。假设起点A为某飞行器弹身铅垂对称平面与横截面在背风面的交点，二次曲线的终点B为水平面与横截面的交点，C点为过点A及点B的横截面切线的交点。这样，平面ABC内过A、B点的二次曲线形状就将由肩点E的位置控制。如果点D为直线的中点，并引入二次曲线形状参数ρ，且则可以通过控制形状参数ρ的取值唯一地确定肩点E的位置，并进而唯一地确定二次曲线AEB的形状。当ρ>0.5，二次曲线为双曲线；当ρ<0.5，二次曲线为椭圆；当ρ＝0.5，二次曲线为抛物线；当ρ＝0.4142且则二次曲线为圆；当ρ接近1时，二次曲线接近于矩形，而当ρ接近0时，二次曲线接近于直线。这样，如果已知某截面的起点A、终点B及希望的切线交点C，通过采用不同的二次曲线形状参数ρ，可以灵活、快速而且精确地构成各种二次曲线。

基于类型函数和形状函数的方法(class function and shape functiontransformation technique-CST)的两个要素分别为：类型函数(class function)和形状函数(shape function)。在飞行器设计中，外形基本上可以分为截面控制类外形(机身、升力体等)和翼型控制类外形(机翼、垂尾、翼身融合体等)。这两类部件的外形设计都可以通过选取适当的类型函数来确定其截面/翼型基本形状，再通过形状函数来精确确定其最终形状。其基本原理是：对于机身而言，左右对称的截面形状可由如下表达式描述，

其中S(η)为形状函数，为类型函数，ζ和η分别为横坐标和纵坐标无量纲化后的值。在的表达式中通过适当选取指数N1和N2的值，就可得到相应的截面形状。类型函数只是给出了截面形状所属的类型，通过在基本形状的不同位置，按照设计者的需求乘以一个指定的形状函数S(η)，可以使基本形状转变为设计者需要的最终形状。考虑防热的需求，在各控制舵面的设计时，前缘分别以半径为50mm-80mm的圆弧进行钝化。

五、在每一个站位处重复第四步的设计，得到整个机身关键站位形状。

六、在获得整个机身关键站位形状之后，通过线性或多项式的插值方法，获得沿机身纵向每个站位的截面形状，通过表面放样技术(等角度放样或等弧长放样)，获得整个机身的形状。

七、采用数值计算方法，求解NS方程，对流场进行计算，对该外形的高超声速特性和亚跨超特性进行计算，获得该外形在高超声速和亚跨超声速时的升力系数C_L、阻力系数C_D、侧向力系数C_S、俯仰力矩系数C_m、滚转力矩系数C_r、偏航力矩系数C_y以及动导数等气动特性。采用流线法和片条法计算该外形机身和控制舵面的表面热流密度Q。

八、对控制舵面进行匹配设计，根据数值计算的结果，调整不同控制舵面大小和质心位置，以确保飞行器具有设计者所期望的气动性能。通过气动特性的综合计算，使得操纵面操纵效率满足要求。

九、通过气动力/热/轨道综合的高超声速飞行器气动布局设计优化方法，在允许的设计空间内，通过打靶法或遗传算法，优化获得性能较优的气动外形。

以下举例说明本发明方法的具体应用：

设定尺寸条件为：机身总长度8米，总宽度3米，机身高度0.8米，机身头部半径0.3米。优化目标为：马赫数7.0，攻角15°飞行时的升阻比最大；马赫数7.0，攻角15°飞行时的迎风面中心线热流和最小；马赫数0.2，攻角12°飞行时的升力系数最大。

一、根据尺寸限制，通过二次曲线设计机身上轮廓线，座舱起始位置的角度为40°，二次曲线形状因子为0.5；机身下轮廓线根据高度限制，利用二次曲线生成；机身宽度轮廓线也利用二次曲线生成。

二、综合利用二次曲线方法和基于类型函数和形状函数的CST方法，在上下轮廓线和宽度轮廓线的约束下，生成机身各关键站位的横截面，通过放样技术获得机身外形。

三、通过水平尾翼、体襟翼和V形尾翼的匹配设计，确定水平尾翼的展向宽度为0.75米，后掠角为60°，翼根弦长2米；V形尾翼与垂直平面的夹角为30°，后掠角为25°，翼根弦长为1米；体襟翼长度为0.4米，宽度为0.6米。

四、考虑防热需求，将各控制舵面前缘分别以半径为50mm-80mm的圆弧进行钝化设计。

五、采用三维NS方程数值求解方法计算该外形高超声速升阻比特性和亚跨超升力特性。

六、分别采用流线法和片条法计算该外形机身和控制舵面的表面热环境特性。

七、利用气动力特性结果，获得其纵向及横侧向控制特性。

八、通过气动力/热/轨道综合的飞行器气动布局设计优化，获得该外形优化设计结果的Pareto前沿及优化外形。

Claims (10)

1.一种可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、根据机身长度和不同截面处的尺寸约束，确定机身上下轮廓控制线；

步骤二、根据机身总宽度及设计需求，采用与上下轮廓线相同的方法，利用二次曲线和直线段的拼接，确定机身左右宽度轮廓线；

步骤三、在每一个关键站位处采用二次曲线和基于类型函数与形状函数的CST方法生成对应的截面形状，从而得到整个机身关键站位形状；

步骤四、通过线性或多项式的插值方法，获得沿机身纵向每个站位的截面形状，通过表面放样技术获得整个机身的形状；

步骤五、采用数值计算方法，对流场进行计算，获得机身外形在高超声速和亚跨超声速时的气动特性；

步骤六、采用流线法和片条法计算机身外形和控制舵面的表面热环境特性；

步骤七、对控制舵面进行匹配设计；

步骤八、对气动外形进行优化。

2.根据权利要求1所述的一种可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法，其特征在于：所述轮廓控制线分段拆分为多条二次曲线和直线段的组合，在各线段的拼接点处，确保轮廓线的斜率相同。

3.根据权利要求2所述的一种可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法，其特征在于：所述下轮廓线为球头、一条二次曲线和一条直线的组合，所述球头部分的曲线坐标由下式确定：

<mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>R</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow>

所述球头的圆弧结束部分与一条二次曲线相接，曲线斜率由与圆弧相切逐渐过渡到水平，二次曲线结束部分接一条水平的直线，形成机身下部的平直部分。

4.根据权利要求3所述的一种可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法，其特征在于：所述上轮廓线为球头、两条二次曲线和一条直线的组合，所述球头的圆弧结束部分与一条二次曲线相接，曲线斜率由与圆弧相切逐渐过渡到水平，形成机身上表面座舱前方的平坦部分；第二条二次曲线从水平部分开始，形成一个角度接近90°的座舱前部，二次曲线后部的角度过渡到水平，形成座舱的顶部；二次曲线结束部分接一条水平的直线，形成机身上部的平直部分。

5.根据权利要求1所述的一种可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法，其特征在于：所述左右轮廓线是对称的，均为一条二次曲线和一条直线的组合，从机身头部开始，到机身宽度达到最大宽度的位置为止，形成一条二次曲线，二次曲线的角度由头部的接近90°开始逐渐过渡到最大宽度位置的0°，二次曲线的尾部与一水平直线相接，形成机身左侧或右侧的水平部分。

6.根据权利要求1所述的一种可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法，其特征在于：步骤三所述的二次曲线方法为：假设起点A为飞行器弹身铅垂对称平面与横截面在背风面的交点，二次曲线的终点B为水平面与横截面的交点，C点为过点A及点B的横截面切线的交点，平面ABC内过A、B点的二次曲线形状由肩点E的位置控制，设点D为直线的中点，引入二次曲线形状参数ρ，且通过控制形状参数ρ的取值唯一地确定肩点E的位置，并进而唯一地确定二次曲线AEB的形状：

(1)当ρ>0.5，二次曲线为双曲线；

(2)当ρ<0.5，二次曲线为椭圆；

(3)当ρ＝0.5，二次曲线为抛物线；

(4)当ρ＝0.4142且则二次曲线为圆；

(5)当ρ接近1时，二次曲线接近于矩形；

(6)当ρ接近0时，二次曲线接近于直线。

7.根据权利要求1所述的一种可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法，其特征在于：步骤三所述基于类型函数与形状函数的CST方法为：将左右对称的截面形状用如下表达式描述：

<mrow> <mi>&amp;zeta;</mi> <mo>=</mo> <mi>S</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;eta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mi>&amp;eta;</mi> <mrow> <mi>N</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;eta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msup> <mo>=</mo> <mi>S</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;eta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msubsup> <mi>C</mi> <mrow> <mi>N</mi> <mn>2</mn> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;eta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中S(η)为形状函数，为类型函数，ζ和η分别为横坐标和纵坐标无量纲化后的值，在的表达式中通过选取指数N1和N2的值得到相应的截面形状。

8.根据权利要求7所述的一种可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法，其特征在于：在各控制舵面的设计时，前缘分别以半径为50mm-80mm的圆弧进行钝化。

9.根据权利要求1所述的一种可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法，其特征在于：所述气动特性包括：升力系数C_L、阻力系数C_D、侧向力系数C_S、俯仰力矩系数C_m、滚转力矩系数C_r、偏航力矩系数C_y以及动导数。

10.根据权利要求1所述的一种可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法，其特征在于：步骤七所述对控制舵面进行匹配设计的方法是：根据数值计算的结果，调整不同控制舵面大小和质心位置，确保飞行器满足要求的气动性能的，并通过气动特性的综合计算，使得操纵面操纵效率满足要求。