无垂尾飞行器气动布局优化与横航向稳定性分析

发布时间：2020-04-14 07:55

【摘要】：无垂尾飞行器没有各部件的干扰阻力,气动效率高,隐身性能好,是一种高效的气动布局形式,但由于没有垂尾,其稳定性受到了一定程度的影响。现代作战飞行器对机动性提出了越来越高的要求,这就使机动性与静稳定性之间的矛盾非常突出。因此讨论飞机的静稳定性具有非常重要的意义。本文针对亚声速飞翼布局飞行器与高超声速升力体进行了横航向稳定性优化研究。主要内容包括:针对亚声速飞翼布局飞行器,通过添加展向三个翼段的上反角,拓展了传统无尾飞翼布局横航向稳定性设计的空间,并构建一套基于涡格法(VLM)方法的横航向稳定性参数高效求解工具,实现了稳定性分析的自动求解流程,证明了无尾飞翼布局飞机在大范围的设计空间内可以通过改变上下反角得到满足横航向稳定品质的方案。基于面元法编写高超声速飞行器气动估算程序,并针对钝锥等外形进行初步气动估算,所得结果与CFD计算结果吻合较好。使用气动估算程序进行初步计算可以缩小样本空间,提高优化效率。确定样本空间之后进行气动布局优化,将高超声速飞行器横航向稳定性判据作为限制条件并进行CFD精细化计算气动参数,优化后的外形升阻比相比初始外形提升了 5.58%。将优化后的方案与引入横航向稳定性判据前的优化相比较可以发现新的优化方案排除了原有的下反布局的方案。进一步说明本文的优化方案不但可以在保证流场品质的前提下实现满足最大升阻比的高超声速飞行器优化,而且优化后的方案更加符合横航向稳定性要求。
【图文】：

大事记,高超声速

图１．１高超声速发展大事记逡逑然而，高超声速飞行器发展并不是一帆风顺，２１世纪以来，人们经历了多次飞行试验逡逑的失败，２００１年美国宇航局的Ｘ４３Ａ测试宣告失败，此外还包括ＨＴＶ－２Ｃ图１．２）［９］的两逡逑败、美国Ｘ－５１Ａ邋（图１．３）和俄罗斯Ｙｕ－７１的三败，其中美国国防预先研究院对“ＨＴＶ－２”进逡逑行的两次试飞均因为横航向动态失稳而坠毁［１（）］，这些都充分表明人们对于高超声速飞行器逡逑横航向稳定性问题的认识上还存在很多不足甚至是错误，仍需要进一步的探索。逡逑高超声速飞行器领域的研究道理越是充满荆棘，就越证明其未知与研究价值并存。高逡逑超声速飞行器涉及的领域广泛，包括气动力、热、控制等专业和技术，，需要采用多学科优逡逑化设计，准确并且快速的数值计算方法，才能实现高效优化设计，提升气动性能，而现阶逡逑段，无论是优化设计方法还是数值计算方法均存在效率与精度上的不足，针对这些问题

流程图,面元法,流程,面元

函数通过库塔－茹科夫斯基后缘条件来确定。但是为了寻求满足条件的源函数和涡函逡逑数，还依赖于计算能力的大力发展。逡逑面元法的求解流程知图２．１，逡逑，枵飞行器的表？划逦．确定奇点的强度分逡逑分为－定数邋Ｓ邋的网逡逑上分布待崹度■：逦行器灥逡逑待定位]的奇点逡逑图２．１面元法求解流程逡逑面元可看作是由无限段连续分布的单位源强度为ｑ的线源构成，则长为ｄｓ的微元上逡逑面元强度为ｑｄｓ，其在流场中任意点Ｐ处的诱导速度为逡逑办寺逦（２．４１）逡逑２兀ｒ逡逑ｒ为微元与任意点Ｐ之间的距离，ｄｓ微段面元在点Ｐ处的扰动速度位可表示为：逡逑ｄ（ｊ）邋＝邋－＾＾Ｉｎ邋ｒ逦（２．４２）逡逑２ｋ逡逑从ａ到ｂ将其积分可以得到扰动速度位为逡逑ｃｊ＞邋＝邋＼ｂａ＾－＼ｎｒｄｓ逦（２．４３）逡逑Ｊ邋２ｋ逡逑由于点源强度即为穿过点源周围的体积流量，所以总源强可以表示为逡逑Ｑ邋＝邋＼ｈａｑｄｓ逦（２．４４）逡逑与面元类似，可将面涡看作无限根单位强度为／的涡丝连续分布组成的，则长为ｄｓ的逡逑微元上面元强度为／ｄｓ，其在流场中任意点Ｐ处的诱导速度为逡逑ｄｖ邋＝邋－＾－逦（２．４５）逡逑２ｎｒ逡逑ｒ为微元与任意点Ｐ之间的距离
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V221.3

【参考文献】