复杂三维流场乘波体设计方法研究

Waverider is of vital importance and enthusiasm in hypersonic aircraft design and can has been the fundament for multiple hypersonic vehicles because of high L/D ratio. Traditional design methods have some disadvantages, including limited design space and imprecise flow simulation. The article proposes a novel method for 3D flow waverider design based on shock fitting method which calculates the three dimensional fluid and distinguishes the shock wave surface precisely and quickly, and the method can generate variable configurations including double-delta waverider and vortex lift waverider. Moreover, the point searching methods of mass data are proposed to accelerate the design efficiency. Integrating improved Pareto Genetic algorithms, optimization are studied based on B-spline and Class and Shape Transformation(CST) method to gain the high L/D, high volume objection. Validation of wind tunnel is also proposed to verify the efficiency of the design method.

乘波体飞行器因其高升阻比成为当前高超声速飞行器研究中的热点和重点之一，并作为了多款在研高超声速飞行器的构型基础。传统的乘波体设计方法具有一定的局限性，包括设计空间有限，流场模拟不准确等，本项目提出使用激波装配法计算三维几何形状的流场，研究针对海量网格数据的快速寻点方法，拓展三维流线追踪技术，开发复杂流场乘波体设计方法，扩大了设计空间，可以灵活生成多种高性能乘波外形。研究乘波体飞行器的高效参数化建模方法，满足升阻、容积等相关飞行任务需求研究乘波体气动外形优化设计，并结合风洞试验手段验证设计方法的有效性。

乘波体因其高升阻比成为当前高超声速飞行器研究中的热点和重点，并作为多款在研高超声速飞行器的基础构型。但传统的乘波体设计方法有一定的局限性，比如设计空间有限、流场模拟不准确等，本项目根据高超声速飞行器在气动、装载和稳定性控制等方面的需求，使用激波装配法计算高超声速流场，准确分辨激波曲面，并开发海量数据寻点方法和流线追踪技术，建立了三维流场乘波体设计方法和设计程序，拓展了设计空间和设计灵活性。分析研究不同导波体的流场性能和激波形状，与传统乘波体设计方法对比，建立适用不同性能、不同特点的乘波体生成的流场评价标准，使得生成外形性能比锥导乘波体性能更优，并可以生成双后掠等特殊平面形状的乘波体外形。同时，使用工程化处理技术得到高性能乘波体，推进工程实用，包括上表面容积扩充、前缘钝化，并使用腹鳍和上下反翼等技术提高乘波体的稳定性。结合优化设计方法得到工程级乘波体，达到的性能为：Ma=5、H=25km工况下最大升阻比不小于4.0，满足容积率和稳定性等需求。开展乘波飞行器的参数化方法研究，根据升阻、容积等目标，结合遗传算法研究了乘波体的多目标设计优化。最后，建立缩比模型，开展风洞试验对乘波体在设计状态的性能开展了评估测试，并与CFD计算数据进行了比较，验证了设计方法和设计外形的有效性。此项目的研究可为我国高超声速飞行器平台的发展和研制提供技术支撑。