临近空间高马赫数无人机概念设计方法研究

摘要

临近空间高马赫数无人机（High Supersonic Unmanned Aerial Vehicle，简称HSUAV）是指在临近空间以马赫数3.0~5.0巡航飞行完成特定任务的无人飞行器。HSUAV作为一种新型飞行器，其概念设计阶段面临的一个关键问题是如何合理地确定其主要总体参数（推重比、翼载荷和最大起飞重量）。传统的飞机主要总体参数设计方法无法有效解决这个问题。针对这一问题，本文研究一种适用于HSUAV概念设计阶段的主要总体参数设计计算方法。 论文主要研究工作如下： 1）根据HSUAV的设计背景，制定了一种HSUAV的设计要求，主要包括飞行任务剖面和性能要求。根据制定的设计要求，按照发动机的热力循环和空气动力基本原理，确定了HSUAV的动力装置为涡轮基组合循环发动机（TurbineBased Combined Cycle,简称TBCC），气动布局型式为大后掠机翼的翼身融合正常布局型式。 2）提出了一种改进的飞机主要总体参数设计方法。该方法在现有的约束分析和任务分析方法基础上，通过融入适用性更广、预测精度更高的气动和推进系统模型，可提高HSUAV主要总体参数设计计算的可信度。该方法采用多轮迭代策略，第一轮采用传统的总体参数设计方法，用于确定初始设计点；然后，采用适用性更广、预测精度更高的气动和推进系统模型，以提高约束分析和任务分析结果的可信度。该方法拓展了现有的约束分析和任务分析应用范围。 3）针对HSUAV方案中确定的推进系统型式，建立了串联式TBCC发动机特性的两种分析模型，包括工程估算模型和基于变比热气体模型的热力学循环分析模型，并利用Matlab编程技术开发了特性分析程序。利用该程序可估算推进系统在飞行任务剖面上的推力特性和油耗特性。另外，基于一维等熵流动理论，通过对HSUAV的超声速进气道二维型面分析和优化，确定了进气道二维型面设计参数。 4）根据HSUAV设计要求，完成了HSUAV气动外形的初步设计。提出的HSUAV机体头部拱形前缘设计方案，解决了机体头部与进气道融合问题。建立了HSUAV气动特性分析的工程估算模型，并重点开发了HSUAV气动外形的数值分析工具。数值分析工具由四部分组成，包括气动外形的参数化几何建模程序、三维非结构网格自动生成程序、流场求解器、气动结果分析处理程序。利用这一工具，对HSUAV展弦比和下反角进行优选，获得了优选的气动设计方案。 5）利用本文提出的飞机主要总体参数设计计算流程，以及已建立的推进系统和气动模型，对HSUAV主要总体参数进行了设计计算。首先通过定性分析确定了TBCC发动机的设计点，然后分三轮对HSUAV的主要总体参数进行了设计计算，从第一轮至第三轮得到的主要总体参数可信度逐渐增加，最后对TBCC发动机的设计点合理性和主要总体参数设计计算结果的合理性进行了分析和验证。 6）根据HSUAV的主要总体参数设计计算结果、推进系统模型和气动外形参数，给出了最终的HSUAV概念方案，包括三维外形CAD模型、初步总体布置的模型、重量特性、气动特性、推进系统特性和性能特性。 论文研究结果表明，本文方法可有效地解决HSUAV的主要总体参数设计计算问题，所确定的主要总体参数具有较好的可信度，同时本文方法对其它新型飞行器的主要总体参数的设计计算也有参考价值。

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