高超声速轴对称机身-机翼布局参数化设计与分析

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增升减阻是飞行器气动设计的重要方面。具有高升阻比的气动布局可有效增加飞行器航程和机动能力。轴对称布局因容积率高、加工制造和运输存储等优势成为有较大潜力的应用方向,然而升力及升阻比不足制约了这类飞行器的航程和机动范围。近年来针对轴对称飞行器提出了多种增升减阻方案,其中配置机翼被认为是一种技术简单、低成本的增升方案。然而高超声速条件下翼身气动耦合程度紧密,机身-机翼布局设计更加复杂。因此开展轴对称机身-机翼布局参数化设计及分析,明晰高超声速条件下翼身干扰现象有重要意义。本文基于轴对称高超声速飞行器开展机身-机翼布局设计,研究机翼形状及安装方式对飞行器气动性能的影响规律,并从流动机理层面给出解释。首先,根据机翼几何特征和翼身干扰特点选择机身-中单翼和机身-窄条翼两类典型气动布局开展初步分析。中单翼的展长较大,前体激波与中单翼发生干扰,此时中单翼升力相比于无翼身干扰条件更大;窄条翼的展长较小,流向安装位置更后,前体激波远离窄条翼,此时窄条翼升力小于无翼身干扰条件机翼升力。然后,对两类典型气动布局展开详细研究。在对机身-中单翼布局研究中,分析了中单翼形状(根梢比和展弦比)和面积对飞行器气动性能影响。结果表明:通过调整中单翼平面形状,增加前体激波与中单翼间的干扰程度,可有效改善飞行器升阻比与升力性能。在对机身-窄条翼布局研究中,分析了机翼面积、形状和安装方式对飞行器气动性能影响。研究表明,翼面积是影响飞行器气动性能的主要因素。在翼面积不变条件下,大翼展的飞行器有更好的升阻比与升力性能;合理选择上反角能减弱迎风面与背风面间溢流程度,提高翼身干扰强度和范围,从而提升飞行器气动性能;机身与窄条翼的升力随安装高度增加均呈现先增加后减小趋势,存在最佳安装高度使得飞行器升力最大。最后,采用基于遗传算法的优化方法设计中单翼平面形状,进一步提升了飞行器气动性能。优化结果表明:当中单翼前缘与前体激波边界重合时,中单翼实现了局部“乘波”,飞行器获得最大升阻比;中单翼后缘的形状对飞行器升阻比影响较小,但调整后缘可以提高飞行器升力性能。
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