考虑操稳特性的有翼再入飞行器总体多学科设计优化

发布时间：2020-11-10 00:40

　　 有翼再入飞行器是现阶段天地往返飞行器研究发展的重点,当前世界主要航天大国普遍都开展对有翼再入飞行器设计技术的研究,但该课题的研究仍然存在技术难度高、涉及学科多、学科耦合性强、研制周期长等问题。为了能有效地缩短有翼再入飞行器总体设计周期,提高设计方案的质量,本文通过总体多学科设计优化手段,研究有翼再入飞行器总体快速设计、分析和优化技术。研究工作主要包括如下几个方面:(1)多学科专业模块开发:(1)研究和发展了一种自动化程度高、计算速度快、稳健性较强的面向全空域、全速域的气动力快速预测方法,并开发了相应的气动力快速预测程序。该程序能够作为有翼再入飞行器的气动力预测、外形选型设计的工具;(2)建立了高超声速飞行器在连续流、自由分子流以及过渡流的气动热环境快速预测方法,算例验证表明该方法具备与飞行试验数据、风洞试验数据和CFD计算结果的一致性,能够用于大攻角、高速再入飞行器的气动加热预测;(3)基于气动热预测结果,通过集成热防护材料数据库,构建了一种高超声速飞行器整机的热防护系统自动化设计方法,实现对飞行器整机热防护系统的设计和优化;(4)将气动力快速预测方法与飞行器“准定常运动”相结合,发展了一种面向总体设计的高速飞行器动态稳定性导数的快速预测和辨识方法,建立了对有翼再入飞行器的稳定性、操纵性的分析方法和耦合偏离判据;(5)建立了再入轨迹的设计优化方法,该方法能够根据有翼再入飞行器的再入走廊约束,实现运动方程的数值求解与优化理论的有效结合,获得满足精度要求的再入轨迹优化结果。(2)根据有翼再入飞行器的总体设计原则和目标,分析了各专业模块的输入/输出以及模块之间的耦合关系,建立了对有翼再入飞行器这类新型飞行器的多学科设计优化方法,针对有翼再入飞行器技术特点,通过集成包括几何参数化建模、全空域/全速域气动力估算、气动热与热防护、操稳性能评估、再入轨迹优化、重量估算等在内的多学科专业模块,建立了考虑操稳特性的有翼再入飞行器多学科设计优化方法,开发了相应的设计优化集成系统,为有翼再入飞行器提供了有效的总体设计方法和工具。(3)根据发展的总体多学科设计优化方法,应用建立的设计优化集成系统,对类X-37B飞行器进行了考虑操稳约束的再入轨迹、操稳、气动、气动热、热防护等多学科设计优化;针对气动辅助轨道转移飞行器这种特殊的有翼再入飞行器,对同面气动辅助变轨问题进行了研究,分析了节约能量的指标,设计出了满足同面气动辅助变轨最优控制的飞行器。上述两个“考虑操稳约束的有翼再入飞行器多学科设计优化示例”验证了本文多学科设计优化方法的可行性和集成平台的鲁棒性。本文建立的多学科设计优化方法可用于有翼再入飞行器总体设计;相关设计示例揭示了相关设计参数对多学科设计优化目标的敏感性特征,研究结论可为同类飞行器的设计提供参考。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V411.4;V423
【部分图文】：

图 1.1 美国发现号航天飞机示意图通过部分可重复使用的有翼再入飞行器系统减少成本，但由于当时并未能实现，最后一架航天飞机已于 2011 年退役。尽管航天飞机由导致了高昂的运行维护成本及较高的运行风险，但其研制及应用仍历史事件[13]。航天飞机相关重复使用技术在 X 系列再入飞行器上得后续重复使用有翼再入飞行器的发展奠定了坚实的基础。美国国家航空航天局（NASA）和美国国防部制定了国家空天飞机-30（如图 1.2 所示）。整个空天飞机计划将分两步组织实施：第一样机，第二步再研制全尺寸空天飞机。

图 1.1 美国发现号航天飞机示意图通过部分可重复使用的有翼再入飞行器系统减少成本，但由于当时并未能实现，最后一架航天飞机已于 2011 年退役。尽管航天飞机由导致了高昂的运行维护成本及较高的运行风险，但其研制及应用仍历史事件[13]。航天飞机相关重复使用技术在 X 系列再入飞行器上得后续重复使用有翼再入飞行器的发展奠定了坚实的基础。美国国家航空航天局（NASA）和美国国防部制定了国家空天飞机X-30（如图 1.2 所示）。整个空天飞机计划将分两步组织实施：第一样机，第二步再研制全尺寸空天飞机。

考虑操稳特性的有翼再入飞行器总体多学科设计优化发动机技术尚未在飞行中得到验证，并且后来发现推进/机身一体化的 1993 年 X-30 项目被迫取消。，美国开始利用 X-33 和 X-34 飞行器及其它一些可重复使用飞行器进行-33 飞行器为单级入轨验证飞行器，采用线性塞式发动机[15]；X-34 飞行作的飞行实验室[16]。这两个项目由于技术风险过高和预算问题于 20033 飞行器示意图。
【参考文献】

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本文编号：2877196