CN110127076A - 一种平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法 - Google Patents

一种平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法 Download PDF

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张健
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Abstract

本发明公开了一种平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法，包括步骤一：设计飞行器左右对称面截面形状，步骤二：确定机身前端弧面形状和切面形状，步骤三：确定机身下部斜面，步骤四：设计飞行器机翼，步骤五：设计飞行器垂尾及方向舵，步骤六：将机翼和垂尾装配到机身上，得到飞行器外形。采用本发明的一种平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法，可以实现不同参数和尺寸约束条件下外形的快速生成，并且该方法生成的外形可以完全参数化。

Description

一种平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法
技术领域
本发明涉及一种水平起降两级入轨空天飞行器的平顶式一级飞行器气动布局设计方法，属于飞行器气动布局设计技术领域。
背景技术
廉价、快速、高效进出空间是当前天地往返系统发展的主要需求，为了满足这一需求，可重复使用运载器成为当前飞行器设计的重点发展方向。可重复使用运载器根据不同的动力配置、任务模式、载荷规模、在轨状态呈现出多样化的发展趋势。其中水平起降单级入轨运载器具备最优的可复用性，但存在的问题是发射初期加速爬升阶段较低推进效率和气动效率与巨大质量规模的平衡问题，因此短期内无法实现。而吸气/冲压发动机不仅能充分利用空气中的氧减轻推进系统的燃料重量，更因为近期不断取得的技术进步，使得以涡轮/吸气冲压组合动力为一级的水平起降两级入轨(TSTO)重复使用飞行方案有望在近期取得突破进展，成为较为可能的可重复使用天地往返运载系统。TSTO一级飞行器是整个系统设计的难点，气动布局设计面临的主要困难是在有限推重比下，提供满足宽速域的升阻匹配、易于背负及分离、操稳匹配、容重匹配等设计需求的气动布局，本文从上述需求出发，提出了一种平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法，该方法对可以实现不同参数和尺寸约束条件下外形的快速生成。
本发明采用的技术方案如下：
一种平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法，包括如下步骤：
步骤一：设计飞行器左右对称面截面形状，给定飞行器头部半径Rh，头部下表面N段乘波斜面水平长度L1,L2,……LN及其水平夹角θ1,θ2……θN，底部发动机舱长度Le、高度He，最大起飞角度θt，确定飞行器机身长度Lf、高度Hf；LN为第N段波斜面水平长度，θN为第N段波斜面的水平夹角。
步骤二：给定飞行器机身宽度Wf，机身前部弧线半径Rf确定机身前端弧面形状；给定机身前部尖端长度Lh和切角θf确定切面形状；
步骤三：给定飞行器机身下部斜面切角θs和斜面上边界与机身上表面距离Hs确定机身下部斜面；
步骤四：设计飞行器机翼，给定机翼根部长度Lw、展向长度Ww和后掠角λw，确定机翼平面形状，然后给定机翼剖面形状；
步骤五：设计飞行器垂尾及方向舵，给定垂尾根部长度Lt、方向舵长度Lr、垂尾高度Ht和后掠角λt，确定垂尾及方向舵平面形状，然后给定垂尾剖面形状；
步骤六：将机翼和垂尾装配到机身上，得到飞行器外形。
作为优选，步骤一中，机身上表面和底部发动机舱下表面都与水平面平行，机身尾部平面和底部发动机舱尾部平面都与机身对称面和水平面垂直，头部圆弧与机身上表面相切，同时与下表面第1个斜面相切，飞行器机身长度Lf、高度Hf分别为：
由此可得到机身尾部凸台高度为(Hf-He)、长度为He/tanθt。
作为优选，步骤二中，机身前部弧线的圆心位于机身对称面内，与机身上表面的垂直距离为Rh，与机身前端弧面顶点的距离为(Rf+Rh)，前部尖端侧边切面为垂直于水平面、与机身对称面夹角为θf的平面，该平面与机身侧面的交线与机身头部顶点的距离为
作为优选，步骤三中，下部斜面与机身尾部平面垂直，与机身对称面夹角为θs，斜面与机身侧面相交得到斜面上边界直线，该直线与机身上表面距离为Hs。
作为优选，步骤四中，机翼剖面形状根据飞行器的复杂工况设计得到或采用简单的平板形状，机翼周边进行倒圆处理。
作为优选，步骤五中，垂尾剖面形状采用对称翼型或简单的平板形状，垂尾周边进行倒圆处理。
作为优选，飞行器机翼平面与机身上表面保持在同一平面内，形成平顶式布局，机翼根部紧贴于机身侧边，机翼后端与机身尾部平齐；垂尾安装于机翼翼稍，与机身对称面平行，与机翼平面垂直，垂尾后端与机翼后端平齐，方向舵位于垂尾后端。
作为优选，飞行器进气道采用乘波设计。
作为优选，飞行器头部采用前缘钝化处理。
作为优选，飞行器背部采用平顶式设计。
作为优选，飞行器机身尾部采用了后掠三角翼加双立尾设计。
作为优选，飞行器底部截面形状采用多边形形状设计。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：可以实现不同参数和尺寸约束条件下外形的快速生成，并且该方法生成的外形可以完全参数化；进气道采用乘波设计，能够更好地压缩捕捉气流，从而获得更好的燃烧效率和升阻比特性；头部采用前缘钝化处理，有利于整个高超声速飞行过程中的防热；背部采用平顶式设计，该设计为二级装填提供了较大的空间，且简化了二级飞行器底部平面形状的设计约束，可以适应不同的二级飞行器底部平面形状；同时机身尾部采用了后掠三角翼加双立尾设计，后掠三角翼的设计有利于进一步增加升力面，提高气动效率，双立尾设计有利于横向的稳定性，同时立尾尾部切出的可活动舵面可以提供偏航方向操纵；底部截面形状采用多边形形状设计，这样具备较大的装填容积及更简易的加工可实现性。
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是飞行器左右对称面截面形状设计图；
图2是飞行器头部弧线设计图；
图3是飞行器机身前部弧线及切角设计图；
图4是飞行器机身下部斜面设计图；
图5是飞行器机翼平面设计图；
图6是飞行器垂尾及方向舵设计图；
图7是飞行器装配外形图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1-7所示，本实施例的一种平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法，包括以下步骤：
步骤一：设计飞行器左右对称面截面形状，给定飞行器头部半径Rh＝500mm，头部下表面取三段乘波斜面，水平长度依次为L1＝10052.264mm,L2＝9000mm,L3＝6000mm,水平夹角θ1＝6°,θ2＝10°,θN＝50.81°，底部发动机舱长度Le＝67000mm、高度He＝5000mm，最大起飞角度θt＝26.57°，由此可得到飞行器机身长度Lf＝102500mm、高度Hf＝11000mm，机身尾部凸台高度为6000mm，长度为10000mm；机身上表面和底部发动机舱下表面都与水平面平行，机身尾部平面和底部发动机舱尾部平面都与机身对称面和水平面垂直，头部圆弧与机身上表面相切，同时与下表面第1个斜面相切；
步骤二：给定飞行器机身宽度Wf＝20000mm，机身前部弧线半径Rf＝30500mm确定机身前端弧面形状；给定机身前部尖端长度Lh＝33560.499mm和切角θf＝9.15°确定切面形状；机身前部弧线的圆心位于机身对称面内，与机身上表面的垂直距离为500mm，与机身前端弧面顶点的距离为31000mm，前部尖端侧边切面为垂直于水平面、与机身对称面夹角为9.15°的平面，该平面与机身侧面的交线与机身头部顶点的距离为39068mm；
步骤三：给定飞行器机身下部斜面切角θs＝10°和斜面上边界与机身上表面距离Hs＝3641.239mm确定机身下部斜面；下部斜面与机身尾部平面垂直，与机身对称面夹角为10°，斜面与机身侧面相交得到斜面上边界直线，该直线与机身上表面距离为3641.239mm；
步骤四：设计飞行器机翼，给定机翼根部长度Lw＝45000mm、展向长度Ww＝12000mm和后掠角λw＝20°，确定机翼平面形状，然后给定机翼剖面形状，采用简单的平板形状，机翼周边进行倒圆处理；
步骤五：设计飞行器垂尾及方向舵，给定垂尾根部长度Lt＝11000mm、方向舵长度Lr＝3000mm、垂尾高度Ht＝13000mm和后掠角λt＝20°，确定垂尾及方向舵平面形状，然后给定垂尾剖面形状采用对称翼型，垂尾周边进行倒圆处理；
步骤六：将机翼和垂尾装配到机身上，得到飞行器外形；飞行器机翼平面与机身上表面保持在同一平面内，形成平顶式布局，机翼根部紧贴于机身侧边，机翼后端与机身尾部平齐；垂尾安装于机翼翼稍，与机身对称面平行，与机翼平面垂直，垂尾后端与机翼后端平齐，方向舵位于垂尾后端。
飞行器进气道采用乘波设计；头部采用前缘钝化处理；背部采用平顶式设计；机身尾部采用了后掠三角翼加双立尾设计；底部截面形状采用多边形形状设计。
综上所述，采用本发明的一种平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法，可以实现不同参数和尺寸约束条件下外形的快速生成，并且该方法生成的外形可以完全参数化；进气道采用乘波设计，能够更好地压缩捕捉气流，从而获得更好的燃烧效率和升阻比特性；头部采用前缘钝化处理，有利于整个高超声速飞行过程中的防热；背部采用平顶式设计，该设计为二级装填提供了较大的空间，且简化了二级飞行器底部平面形状的设计约束，可以适应不同的二级飞行器底部平面形状；同时机身尾部采用了后掠三角翼加双立尾设计，后掠三角翼的设计有利于进一步增加升力面，提高气动效率，双立尾设计有利于横向的稳定性，同时立尾尾部切出的可活动舵面可以提供偏航方向操纵；底部截面形状采用多边形形状设计，这样具备较大的装填容积及更简易的加工可实现性。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：设计飞行器左右对称面截面形状，给定飞行器头部半径Rh，头部下表面N段乘波斜面水平长度L1,L2,……LN及其水平夹角θ1,θ2……θN，底部发动机舱长度Le、高度He，最大起飞角度θt，确定飞行器机身长度Lf、高度Hf；
步骤二：给定飞行器机身宽度Wf，机身前部弧线半径Rf确定机身前端弧面形状；给定机身前部尖端长度Lh和切角θf确定切面形状；
步骤三：给定飞行器机身下部斜面切角θs和斜面上边界与机身上表面距离Hs确定机身下部斜面；
步骤四：设计飞行器机翼，给定机翼根部长度Lw、展向长度Ww和后掠角λw，确定机翼平面形状，然后给定机翼剖面形状；
步骤五：设计飞行器垂尾及方向舵，给定垂尾根部长度Lt、方向舵长度Lr、垂尾高度Ht和后掠角λt，确定垂尾及方向舵平面形状，然后给定垂尾剖面形状；
步骤六：将机翼和垂尾装配到机身上，得到飞行器外形。
2.如权利要求1所述的平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法，其特征在于：步骤一中，机身上表面和底部发动机舱下表面都与水平面平行，机身尾部平面和底部发动机舱尾部平面都与机身对称面和水平面垂直，头部圆弧与机身上表面相切，同时与下表面第1个斜面相切，飞行器机身长度Lf、高度Hf分别为：
由此可得到机身尾部凸台高度为(Hf-He)、长度为He/tanθt。
3.如权利要求1所述的平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法，其特征在于：步骤二中，机身前部弧线的圆心位于机身对称面内，与机身上表面的垂直距离为Rh，与机身前端弧面顶点的距离为(Rf+Rh)，前部尖端侧边切面为垂直于水平面、与机身对称面夹角为θf的平面，该平面与机身侧面的交线与机身头部顶点的距离为
4.如权利要求1所述的平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法，其特征在于：步骤三中，下部斜面与机身尾部平面垂直，与机身对称面夹角为θs，斜面与机身侧面相交得到斜面上边界直线，该直线与机身上表面距离为Hs。
5.如权利要求1所述的平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法，其特征在于：步骤四中，机翼剖面形状根据飞行器的复杂工况设计得到或采用简单的平板形状，机翼周边进行倒圆处理。
6.如权利要求1所述的平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法，其特征在于：步骤五中，垂尾剖面形状采用对称翼型或简单的平板形状，垂尾周边进行倒圆处理。
7.如权利要求1所述的平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法，其特征在于：飞行器机翼平面与机身上表面保持在同一平面内，形成平顶式布局，机翼根部紧贴于机身侧边，机翼后端与机身尾部平齐；垂尾安装于机翼翼稍，与机身对称面平行，与机翼平面垂直，垂尾后端与机翼后端平齐，方向舵位于垂尾后端。
8.如权利要求1所述的平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法，其特征在于：飞行器进气道采用乘波设计。
9.如权利要求1所述的平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法，其特征在于：飞行器头部采用前缘钝化处理。
10.如权利要求1所述的平顶式水平起降两级入轨飞行器一级气动布局设计方法，其特征在于：飞行器底部截面形状采用多边形形状设计。
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