CN110816871A

CN110816871A - 一种新的基于锥导法的两级乘波体设计方法

Info

Publication number: CN110816871A
Application number: CN201911098773.7A
Authority: CN
Inventors: 罗世彬; 王逗; 周嘉明
Original assignee: Hunan Airtops Intelligent Technology Co Ltd
Current assignee: Hunan Airtops Intelligent Technology Co Ltd
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2020-02-21

Abstract

本发明提供一种新的基于锥导法的两级乘波体设计方法，包括如下步骤：(1)给定设计参数；(2)建立乘波体坐标系；(3)滑翔级乘波体的设计；(4)巡航级乘波体的设计。本发明提供一种新的基于锥导法的两级乘波体设计方法，设计过程简单，能够避免复杂的前缘型线求解过程，也没有过强的几何约束，并且两级乘波体都能满足乘波特性，不存在溢流现象。

Description

一种新的基于锥导法的两级乘波体设计方法

技术领域

本发明涉及高超声速飞行器气动设计领域，具体涉及一种新的基于锥导法的两级乘波体设计方法。

背景技术

高超声速飞行器具有及其重要的军事战略价值，已获得了各国的重点关注与研究。在高超声速飞行器的各种气动布局中，乘波体因其具有较高的升阻比，已成为研究得最为广泛的高超声速气动外形之一。但是，传统的乘波体设计都是基于某个设计马赫数进行的，当乘波体的飞行马赫数偏离设计马赫数后，乘波体的气动特性会急剧下降。为了适应未来高超声速飞行器的宽速域飞行的要求，一种解决方案是采用滑翔-巡航两级乘波体。该方案以高超声速滑翔再入，待飞行速度降至某个临界值或飞行器距目标的距离小于某个值后，飞行器抛去滑翔级，同时巡航级携带的冲压发动机启动，实现巡航飞行。由于在两个阶段飞行器的外形都具有乘波特性，因此，在较宽的速域内都可以保持良好的飞行性能。

由上述讨论可知，两级滑翔-巡航乘波体飞行器具有两个典型的飞行速度，并且两级乘波体的前缘型线是重合的。但是对于传统乘波体设计方法，一个设计马赫数与一个设计外形是一一对应的，因此传统的乘波体设计方法无法直接应用于两级乘波体飞行器的设计。目前，两级滑翔-巡航乘波体飞行器的设计方法主要分为两类，一类是基于锥导法的两级乘波体设计方法，具体参见，丁峰.高超声速滑翔一巡航两级乘波设计方法研究[D].长沙:国防科学与技术大学(硕士).2012.在这一方法中，为了获得两级乘波体共用的前缘型线，需要进行较为复杂的求解，且存在较强的几何约束。另一类是基于吻切锥法的两级乘波体设计方法，具体参见，王庆文.基于吻切理论的两级乘波体设计[D].长沙:国防科学与技术大学(硕士).2015.这一方法会造成滑翔级的溢流，破坏乘波体的乘波特性，为了克服这一缺点，就不得不引入变马赫圆锥角的方法，但这又会增加设计的复杂度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的基于锥导法的两级乘波体设计方法，设计过程简单，能够避免复杂的前缘型线求解过程，也没有过强的几何约束，并且两级乘波体都能满足乘波特性，不存在溢流现象。

本发明采用的技术方案为：

本发明提出了一种新的基于锥导法的两级乘波体设计方法，包括如下步骤：

(1)给定设计参数：滑翔级设计马赫数Ma₁与巡航级设计马赫数Ma₂，马赫锥半锥角β，前缘水平投影型线l，以及前缘水平投影型线顶点到圆锥顶点距离d；

(2)建立乘波体坐标系：坐标系原点设置在马赫圆锥的顶点，x轴与马赫圆锥的轴线重合并指向马赫圆锥的开口方向，y轴竖直向上，z轴处于水平面上且与x轴与y轴组成右手坐标系；

(3)滑翔级乘波体的设计：

(a)将前缘水平投影型线l向马赫圆锥面上投影获得前缘型线L；

(b)获得前缘型线后，从前缘线上的每个离散点出发，沿来流方向作自由流线，与底部平面相交又获得一系列离散点，将这些离散点用光滑曲线相连，即得到滑翔级乘波体的上表面后缘型线；

(c)根据滑翔级的设计马赫数Ma₁、马赫圆锥角β，由下式(2)获得滑翔级半锥角δ₁，然后根据高超声速的小扰动线化理论获得滑翔级的流场；

式(2)中，γ是气体的比热容比。取Ma的值为滑翔级的设计马赫数Ma₁，并由已知的γ和β，可由式(2)解出δ，即为滑翔级半锥角δ₁。

(d)从前缘型线上的每个离散点出发，由流线追踪方法获得滑翔级的下表面流线，直至与底部平面相交；用光滑曲线连接这些离散点，即获得滑翔级乘波体的下表面的后缘线；由各下表面流线进行放样，从而得到滑翔级乘波体的下表面；

(e)封闭滑翔级乘波体的上、下表面的后缘线，即完成滑翔级乘波体的设计；

(4)巡航级乘波体的设计：

(b)巡航级乘波体的上表面以及上表面的后缘型线也都和滑翔级的一致；

(c)根据滑翔级的设计马赫数Ma₂、马赫圆锥半锥角β，由下式(2)获得巡航级乘波体半锥角δ₂；

(d)从前缘型线上的每个离散点出发，在巡航级的圆锥激波的流场中由流线追踪方法获得巡航级的下表面流线，直至与底部平面相交；并用光滑曲线依次连接这些离散交点，即获得巡航级乘波体的下表面的后缘线；由各巡航级下表面流线进行放样，即可得到巡航级乘波体的下表面。

作为本发明的进一步方案，所述步骤(3)中(a)具体过程为：将前缘水平投影型线l离散为一系列的点，然后将这些离散点分别投影到马赫圆锥面上，最后将马赫圆锥面上的投影点依次光滑的连成一条曲线即得到了前缘型线。对于前缘水平投影型线l上的任意离散点A，其坐标与马赫圆锥面上对应投影点A’的坐标之间满足如式(1)所示的几何关系：

式(1)中，x_A与z_A分别是前缘水平投影型线上A点的x与z的坐标，x_A’、y_A’和z_A’分别是A点对应的马赫锥面上的A’点的x、y与z的坐标。

从以上设计过程可以看出，滑翔级与巡航级对应的马赫圆锥是相同的，因此，前缘水平投影型线向马赫圆锥上投影出的前缘型线是自动重合的，无需进行复杂的计算，也没有过强的几何约束。同时，前缘线的水平投影也是由设计师给定的，能够满足某些对前缘型线有要求的设计。

本发明还提供一种基于锥导法的两级乘波体，采用上述所述的设计方法得到。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供一种新的基于锥导法的两级乘波体设计方法。与现有的技术方案相比，本发明的设计过程简单，能够避免复杂的前缘型线求解过程，也没有过强的几何约束，并且两级乘波体都能满足乘波特性，不存在溢流现象。

(2)本发明中，生成滑翔级乘波体与巡航级乘波体的圆锥激波流场的激波半锥角相等。因此能够保证前缘水平投影型线投影到激波面上时，滑翔级乘波体与巡航级乘波体的前缘型线完全相同。这一方案无需复杂的计算，也没有较强的几何约束，降低了滑翔-巡航两级乘波体设计的难度，提高了设计效率，具有较强的实用性。

(3)本发明中，设计师可以根据需求给定前缘水平投影型线，因而本发明的技术方案也能满足某些对前缘型线有设计要求的情形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是对本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种新的基于锥导法的两级乘波体设计方法的三维示意图；

图2为图1中14所在的圆锥纵截面示意图；

图3为本发明设计实例的前缘水平投影型线；

图4为由图3的前缘水平投影型线设计得到的两级乘波体的外形；

图5为图4中滑翔级乘波体的底部平面的压力分布；

图6为图4中巡航级乘波体的底部平面的压力分布。

附图标记：

1是滑翔级基准圆锥

2是巡航级基准圆锥

3是滑翔级与巡航级共用的马赫圆锥

4是滑翔级与巡航级共用的上表面后缘型线

5是巡航级下表面后缘型线

6是滑翔级下表面后缘型线

7是前缘水平投影型线l

8是水平面

9是滑翔级下表面流线

10是巡航级下表面流线

11是滑翔级与巡航级共用的上表面自由流线

12是滑翔级与巡航级共用的前缘型线

13是前缘水平投影型线l上的任意离散点A

14是点A在马赫圆锥面上对应投影点A’

15是从A’点出发，沿自由流线向下游流线追踪，与底部平面相交得到的点B

16是从A’出发，在巡航级的流场中，向下游进行流线追踪，与底部平面相交得到的点C

17是从A’出发，在滑翔级的流场中，向下游进行流线追踪，与底部平面相交得到的点D

18是滑翔级或巡航级的自由来流，速度分别为滑翔级设计马赫数Ma₁与巡航级设计马赫数Ma₂

19是滑翔级和巡航级共用的上表面

20是巡航级的下表面

21是滑翔级的下表面

22是该设计实例中，滑翔级与巡航级共用的前缘型线

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种新的基于锥导法的两级乘波体设计方法，具体过程包括如下步骤：

(1)给定滑翔级设计马赫数Ma₁与巡航级设计马赫数Ma₂，马赫圆锥半锥角β，前缘水平投影型线l，以及前缘水平投影型线顶点到圆锥顶点距离d等设计参数。

(2)建立乘波体坐标系：坐标系原点放在马赫圆锥的顶点，x轴与马赫圆锥的轴线重合并指向马赫圆锥的开口方向，y轴竖直向上，z轴处于水平面上且与x 轴与y轴组成右手坐标系(具体见附图1)。

(3)滑翔级乘波体的设计：

(a)将前缘水平投影型线l向马赫圆锥面上投影获得前缘型线L。具体做法为，将前缘水平投影型线l离散为一系列的点，然后将这些离散点分别投影到马赫圆锥面上，最后将马赫圆锥面上的投影点依次光滑的连成一条曲线，即得到了前缘型线。例如图1中，对于前缘水平投影型线l上的任意离散点A，其坐标与马赫圆锥面上对应投影点A’的坐标之间满足如式(1)所示的几何关系：

式(1)中x_A与z_A分别是前缘水平投影型线上A点的x与z的坐标，x_A’、y_A’和z_A’分别是A点对应的马赫圆锥面上的A’点的x、y与z的坐标。

(b)获得前缘型线L后，从前缘线上的每个离散点出发，沿来流方向作自由流线，与底部平面相交又获得一系列离散点，将这些离散点用光滑曲线相连即得到了滑翔级乘波体的上表面后缘型线。

本发明实施例以A’点为例，取一个过OA’的马赫圆锥纵截面，如图2所示。从A’点出发，沿自由流线向下游流线追踪，与底部平面相交于点B。将前缘型线 L上的每个离散点都重复上述过程，并用光滑曲线将底面上的交点相连，即得到了滑翔级乘波体的上表面后缘型线。

(c)根据滑翔级的设计马赫数Ma₁、马赫圆锥角β，由公式(2)可获得滑翔级半锥角δ₁。然后根据高超声速的小扰动线化理论获得滑翔级的流场。

式中γ是气体的比热容比。取Ma的值为滑翔级的设计马赫数Ma₁，并由已知的γ和β，可由式(2)解出δ，即为滑翔级半锥角δ₁。

需要说明的是，圆锥激波流场的具体求解方法可参见，李世斌.逆向射流及其在高超声速飞行器中的减阻防热机理研究[D].长沙:国防科学与技术大学(博士).2017.

(d)从前缘型线上的每个离散点出发，由流线追踪方法获得滑翔级的下表面流线，直至与底部平面相交。本发明实施例以图2中的A’为例，从前缘型线上的A’出发，向下游进行流线追踪，与底部平面相交于点D。将前缘型线L上的每个离散点都重复上述过程，并用光滑曲线连接这些底部的交点，即获得了滑翔级乘波体的下表面的后缘线。由各下表面流线进行放样，即可得到滑翔级乘波体的下表面。

需要说明的是，流线追踪的具体的方法可参见，李世斌.逆向射流及其在高超声速飞行器中的减阻防热机理研究[D].长沙:国防科学与技术大学(博士).2017.

(e)最后，封闭滑翔级乘波体的上下表面的后缘线就完成了滑翔级乘波体的设计。

(4)巡航级乘波体的设计：

(a)将前缘水平投影型线l向马赫圆锥面上投影获得前缘型线L。具体过程与步骤(3)中(a)一致。

(b)巡航级乘波体的上表面以及上表面的后缘型线也都和滑翔级的一致。

(c)根据滑翔级的设计马赫数Ma₂、马赫圆锥半锥角β，由公式(2)获得巡航级半锥角δ₂。然后根据高超声速的小扰动线化理论获得巡航级的圆锥激波流场。圆锥激波流场的具体求解方法同步骤(3)中(c)。

(d)从前缘型线上的每个离散点出发，在巡航级的圆锥激波的流场中由流线追踪方法获得巡航级的下表面流线，直至与底部平面相交。本发明实施例以图 2中的A’为例，从前缘型线上的A’出发，向下游进行流线追踪，与底部平面相交于点C。流线追踪的具体的方法与步骤(3)中(d)相同。

将前缘型线L上的每个离散点都重复上述过程，并用光滑曲线依次连接这些离散交点即获得了巡航级乘波体的下表面的后缘线。由各巡航级下表面流线进行放样，即可得到巡航级乘波体的下表面。

从以上设计过程可以看出，滑翔级乘波体与巡航级乘波体对应的马赫圆锥是相同的，因此，前缘水平投影型线向马赫圆锥上投影出的前缘型线是自动重合的，无需进行复杂的计算，也没有过强的几何约束。同时，前缘线的水平投影也是由设计师给定的，能够满足某些对前缘型线有要求的设计。

下面给出一个具体的设计实例。

给定滑翔级设计马赫数Ma₁＝10与巡航级设计马赫数Ma₂＝6，马赫圆锥半锥角β＝15°，前缘水平投影型线l的形状如图3所示，其顶点到圆锥顶点距离d＝6。

在经过上述的设计过程后，生成得到的两级乘波体的外形如图4所示。从图中可以看到，滑翔级乘波体与巡航级乘波体共用同一条前缘型线以及同一个上表面，这符合设计预期。滑翔级乘波体的下表面在巡航级乘波体下表面的下方，因此当飞行器的飞行速度从滑翔速度下降到巡航速度后，只需抛掉滑翔级的下表面就可变为巡航级的外形。

图5与图6分别是滑翔级乘波体与巡航机乘波体的底面压力分布图。从图中均可以看到，两级乘波体上下表面的气流被前缘线阻隔，下表面高压气流泄露至上表面的极少，因此具有较好的气动性能。由此可证明本发明实施例设计方法设计的飞行器两级具有乘波特性。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种新的基于锥导法的两级乘波体设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)给定设计参数：定滑翔级设计马赫数Ma₁与巡航级设计马赫数Ma₂，马赫锥半锥角β，前缘水平投影型线l，以及前缘水平投影型线顶点到圆锥顶点距离d；

(3)滑翔级乘波体的设计：

(c)根据滑翔级的设计马赫数Ma₁、马赫圆锥角β，由下式获得滑翔级半锥角δ₁，然后根据高超声速的小扰动线化理论获得滑翔级的流场；

(e)封闭滑翔级乘波体的上下表面的后缘线，即完成滑翔级乘波体的设计；

(4)巡航级乘波体的设计：

(c)根据滑翔级的设计马赫数Ma₂、马赫圆锥半锥角β，由下式获得巡航级乘波体半锥角δ₂，然后根据高超声速的小扰动线化理论获得巡航级的圆锥激波流场；

(d)从前缘型线上的每个离散点出发，在巡航级的圆锥激波的流场中由流线追踪方法获得巡航级的下表面流线，直至与底部平面相交；并用光滑曲线依次连接这些离散交点，即获得巡航级乘波体的下表面的后缘线；由各巡航级下表面流线进行放样，即得到巡航级乘波体的下表面。

2.根据权利要求1所述的两级乘波体设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中(a)具体过程为：将前缘水平投影型线l离散为一系列的点，然后将这些离散点分别投影到马赫圆锥面上，最后将马赫圆锥面上的投影点依次光滑的连成一条曲线即得到了前缘型线。

3.一种基于锥导法的两级乘波体，其特征在于，采用如权利要求1-2任意一项所述的设计方法得到。