锥导乘波构型的设计、优化及数值模拟

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1、哈尔滨T稗大学硕士学{!c7：论文动，构造了三维空间中的三维激波和波后的三维流动。研究证明【71，吻切锥乘波构型发动机进口截面流动的均匀性大大改善。随后，Sobieczky等又把吻切锥理论发展为吻切轴对称理论【9J。Takashima和Lewis[6】提出把锥导乘波构型高升阻比高体积率的特性和源于二维楔流场的乘波构型激波后流场均匀的特性结合起来，减少发动机进口截面流动的不均匀性，这就是乘波构型设计的楔锥法。此外，Ferguson．Frederick．【l7J推导了给定任意激波形状下的乘波构型，进一步扩

2、展了乘波机的基准流场。为了充分发挥乘波构型的潜力，上世纪八十年代早期国外很多研究人员开始了乘波构型优化的研究工作并相应地给出了一些简化的优化结果的经验公式。文献【l8】用变分法，在具有纵向曲率的轴对称物体导出的乘波构型中，找到了最优乘波构型；随后文献1191对对称圆锥导出了最优的乘波构型。上述这些工作均采用高超声速小扰动理论，由压力分布得到解析表达式，采用变分法进行优化。显然这种基于无粘流理论的乘波构型的优化具有很大的局限性。在计算乘波机阻力时，考虑摩阻，乘波机的升阻比就要下降。从而考虑粘性后所求得的

3、最优乘波构型也将不同于无粘流求得的结果。上世纪八十年代后期人们把圆锥轴对称流场应用于乘波体的设计，有效的估算了乘波体的性能，并在粘性条件下进行了简单的优化工作120’211，并给出了求解具有最佳升阻比的前缘外形的优化准则，该优化准则在后续的工作中得到了发展和提高。上世纪九十年代早期人们开始转入对乘波体更为深入的研究，先后用N．S方程计算了乘波体初始外形和粘性优化后的乘波体的性能，并得到了较为理想的结果。文献【22】运用有限体积法对文献【20】的不同设计马赫数下的优化结果进行了N．S方程的计算，计算结果

4、表明：考虑粘性后的乘波机具有很高的升阻比，已经大大突破了库希曼给出的升阻比屏障。之后，人们的研究兴趣开始向乘波飞行器的一体化设计研究工作转移，对乘波飞行器／高超冲压发动机的一体化进行了大量的计算数值模拟，文献【23】在文献[201121]的基础上对乘波飞行器／超燃冲压发动机进行了初步的粘性优化，得出了更为接近于工程应用的乘波体外形。前述这些工作均是基于设计状态下的计算。近期的乘波哈尔滨T程大学硕十学位论文技术研究工作已经从设计点性能转向非设计点性能的计算工作，文献[221最早对粘性最优乘波体非设计状态

5、下的气动特性进行了分析，文献[24][25][26】较多的考虑了各方面的影响，对乘波飞行器的非设计点性能进行了优化设计，对乘波飞行器的巡航状态和非设计飞行状态进行了大量计算，得出了更为一般的外形。在对乘波飞行器一般飞行状态进行研究的同时，对其在特殊飞行状态下的性能研究也在进行之中。对乘波飞行器的起飞状态和跨音速的数值模拟的研究，国外的工作已经取得了进展(引述自文献[27】)。而在实验方面国外一些研究机构也做了大量的工作128,29]，对一些乘波外形进行了吹风试验，得出了一些具有工程应用意义的结论，取得

6、了可喜的结果。在文献[30～32]中，进行了乘波飞行器设计。它是以乘波构型作为机身，然后直接组装飞行器所必需的组件，如控制面、发动机、座舱等，使之成为性能较好的、发动机一机身一体化的高超声速乘波飞行器。这种方法比较简单，但需要进行大量的研究工作来探讨各种组件对飞行器气动性能的影响。在文献[33】中，进行了乘波构型一发动机一机身的一体化设计。这是把飞行器的前体作为发动机的压缩而，把后体作为飞行器的喷管，因此需要将发动机和机身作为一个完整的系统来研究。由于乘波飞行器优良的气动特性，美国和德国等国家进行了应

7、用研究。NASA兰利研究中心和美国空军联合开发了LOFLYTE乘波飞行器⋯1(图1．4)，其设计马赫数M为5．5，在M=5时进行了优化。1996年，LOFLYTE在美国加利福尼亚莫哈韦机场进行了34s首次飞行试验，这是第一个真正飞行过的乘波飞行器，具有十分重要的意义。此后，1997年，LOFLYTE又进行了一系列成功的飞行试验。试验结果表明，LOFLYTE飞行器的低速特性是令人满意的，飞行器在设计起飞和降落条件下的高升力系数是合理的，使得飞行器有可接受的起飞和降落速度。德国飞行器设计和结构力学研究所与

8、DLR设计气动力学研究所合作进行了高超声速乘波飞行器(图1．4)的设计【111，目的是用作两级入轨(TSTO)的第一级。对作为TSTO第一级的4种小同飞行器进行了比较，包括基本乘波6坚玺垄!；堡尘兰堡土茎堡兰兰翻I4LOFLYTE乘波飞行器飞行器、改进的乘波飞行器、升力体飞行器和混合体飞行器。结果表明，乘波飞行器克服了常规飞行器重量大、体积系数小的不足，可以使用乘波飞行器作为第一级来设计TSTO。但结果也表明，乘波飞行器并不总是高超声速飞行器的最佳选择，