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1、第27卷第2期空气动力学学报Vol.27,No.22009年04月ACTAAERODYNAMICASINICAApr.,2009文章编号:025821825(2009)0220214206高超声速飞行器气动布局总体性能优化设计研究121车竞,唐硕,何开锋(1.中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳621000;2.西北工业大学,陕西西安710072)摘要:总体设计是吸气式高超声速巡航飞行器的关键技术之一。为提高高超声速飞行器的设计水平,获得一个总体性能较优的布局构型,对乘波布局的高超声速飞行器进行了总体优化设计研究。采用多目标遗传算法
2、,以飞行器外形参数作为设计变量,考虑了巡航状态下的气动力、热、雷达散射截面、机体/推进一体化、机身容积、配平特性、静稳定性和机动性等指标。优化设计得到了Pareto最优前沿面,获得了很多总体性能优于基本构型的最优个体。根据设计指标,给出了一个推荐方案作为进一步研究的参考构型,并对它的气动特性进行了风洞实验验证,证明了本文优化设计方法的可行性。关键词:高超声速飞行器;乘波布局;多目标遗传算法;机体/推进一体化;总体优化设计3中图分类号:V211.3文献标识码:A性等性能指标。优化设计得到了Pareto最优前沿0引言面,本文在最优前沿面
3、中选择了一个最优个体作为进一步研究的参考布局,并对该最优布局的气动特性进高超声速飞行器通常是指以吸气式发动机为动行风洞实验验证,证实了本文优化设计方法的可行力,速度超过5马赫、飞行高度20km～30km的巡航性。飞行器。由于其既可以作为空中武器平台,又可以作为武器,提供超远程打击和全球快速到达能力,具有重要的战略意义,因此各国相继展开了大规模的研究[1]工作。乘波体构型是高超声速飞行器的一种典型布局,采用下腹式超燃冲压发动机作为动力装置,容[2]易获得机体/推进系统的高度一体化,已经成为高超声速飞行器的首选布局形式。总体优化设计是高
4、超声速巡航飞行器的众多关键技术之一,但是由于超燃冲压发动机严格苛刻的工作条件,目前的优化设计工作仍然集中在机体/超燃冲压发动机一体化设计[324]图1高超声速巡航飞行器基本构型上,尤其是前体/进气道一体化设计和后体/尾喷Fig.1ThebasicconfigurationofHCV[526]管一体化设计上,针对总体性能的气动布局优化设计还没有展开。1优化算法和优化设计模型本文以具有乘波特征的二维升力体构型为基本1.1多目标模拟退火遗传算法构型(如图1所示),对该构型展开了总体性能的气动布局优化设计研究。采用多目标模拟退火遗传算法,高
5、超声速飞行器是一个复杂的系统,对它的总体以描述飞行器外形的参数为设计变量,考虑的优化目性能优化设计具有全局性、多峰性、强耦合性等特点;标包括巡航状态下的气动力、热、雷达散射截面优化设计过程灵敏度难以求解,设计变量与性能指标(RCS)、机体/推进一体化、机身容积以及配平操稳特之间关系复杂,难以建立简单直接的映射关系,传统3收稿日期:2008201212;修订日期:2008204226.基金项目:国家自然科学基金资助项目(10572115);中国博士后科学基金资助项目(20080431373)作者简介:车竞(1977-),男,四川新津人
6、,助理研究员,博士后,研究方向为飞行器设计,空气动力学.第2期车竞等:高超声速飞行器气动布局总体性能优化设计研究215的局部寻优算法已不能胜任。而遗传算法作为一种设计变量共有21个,可以完全描述完整的高超声速全局性的智能优化算法,近年来已大量应用于飞行器飞行器外形。的优化设计之中。但遗传算法现在只有一个基本框1.3优化设计目标架,需要针对具体的优化问题进行改进。本文采用文献[728]建立的多目标遗传算法作为优化算法。该多巡航飞行阶段,总体性能包括气动力、驻点气动目标算法将Pareto非劣解和遗传算法结合起来,并热、RCS、机体/推进
7、一体化、机身容积、配平、操稳特采用实数编码、小生境淘汰、群体排序、稳态复制和动性等等。由于采用遗传算法进行优化设计的计算量态惩罚等一系列技术来克服标准遗传算法的缺点。相当大,为了提高优化效率和计算速度,本文对各种为了提高优化效率,引入模拟退火算法进行局部搜性能指标均采用快速的工程计算方法。其中气动力索,形成了混合遗传算法。其算法流程图如图2所的计算基于高超声速无粘流理论,通过粘性阻力估示。算、翼身、翼翼以及发动机尾流干扰来进行气动修[9][10]正。驻点气动热的计算采用Fay2Riddle公式,RCS的计算采用物理光学法、几何光学法
8、、等效电磁流法等等,同时考虑面元遮挡和翼身二面角的多次反[11]射效应。超燃冲压发动机的性能计算则采用一维[8]流动模型和二维特征线法。机身容积通过横截面积沿轴向的积分得到。主要性能指标计算方法的可靠性已通过文献[8211]进行了验证
