无垂尾飞行器气动布局优化与横航向稳定性分析

摘要

无垂尾飞行器没有各部件的干扰阻力，气动效率高，隐身性能好，是一种高效的气动布局形式，但由于没有垂尾，其稳定性受到了一定程度的影响。现代作战飞行器对机动性提出了越来越高的要求，这就使机动性与静稳定性之间的矛盾非常突出。因此讨论飞机的静稳定性具有非常重要的意义。本文针对亚声速飞翼布局飞行器与高超声速升力体进行了横航向稳定性优化研究。主要内容包括:
　　针对亚声速飞翼布局飞行器，通过添加展向三个翼段的上反角，拓展了传统无尾飞翼布局横航向稳定性设计的空间，并构建一套基于涡格法(VLM)方法的横航向稳定性参数高效求解工具，实现了稳定性分析的自动求解流程，证明了无尾飞翼布局飞机在大范围的设计空间内可以通过改变上下反角得到满足横航向稳定品质的方案。
　　基于面元法编写高超声速飞行器气动估算程序，并针对钝锥等外形进行初步气动估算，所得结果与CFD计算结果吻合较好。使用气动估算程序进行初步计算可以缩小样本空间，提高优化效率。确定样本空间之后进行气动布局优化，将高超声速飞行器横航向稳定性判据作为限制条件并进行CFD精细化计算气动参数，优化后的外形升阻比相比初始外形提升了5.58％。将优化后的方案与引入横航向稳定性判据前的优化相比较可以发现新的优化方案排除了原有的下反布局的方案。进一步说明本文的优化方案不但可以在保证流场品质的前提下实现满足最大升阻比的高超声速飞行器优化，而且优化后的方案更加符合横航向稳定性要求。

目录

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摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 飞行器横航向稳定性研究综述

1．3 气动分析方法发展历程

1．4 气动优化关键技术研究进展

1．4．1 参数化建模与网格生成技术

1．4．2 代理模型

1．4．3 优化算法

1．5 本文章节安排

第2章 气动计算与稳定性分析方法

2．1 数值计算

2．1．1 空间与时间数值离散方法

2．1．2 差分格式与通量分裂技术

2．1．3 湍流模型

2．2 亚声速飞行器气动估算方法

2．2．1 涡格法

2．2．2 涡格法气动参数与动导数精度验证

2．3 高超声速飞行器气动计算方法

2．3．1 牛顿法

2．3．2 修正牛顿理论

2．3．3 其他压强系数计算公式

2．3．4 高超声速飞行器气动估算方法

2．3．5 高超声速飞行器气动估算程序框架

2．3．6 算例验证

2．4 横航向稳定性分析

2．4．1 亚声速飞行器横航向动稳定性分析

2．4．2 高超声速飞行器横航向静稳定性分析

2．5 飞行器横航向稳定性判据

2．5．1 亚声速飞行器横航向稳定性标准

2．5．2 高超声速飞行器横航向静稳定性标准

2．6 本章小结

第3章 气动优化方法

3．1 代理模型

3．1．1 试验设计方法

3．1．2 代理模型

3．1．3 代理模型评价指标

3．1．4 代理模型构建案例

3．2 参数化建模与网格生成

3．3 网格生成实例

3．4 优化算法与优化算例

3．4．1 模拟退火算法

3．4．2 优化算例

3．5 本章小结

第4章 横航向稳定性布局设计与优化算例

4．1 亚声速算例与结果分析

4．1．1 算例模型

4．1．2 纵向稳定性影响分析

4．1．3 结果分析

4．2 高超声速算例与结果分析

4．2．1 样本空间确定

4．2．2 初始网格生成

4．2．3 优化与结果分析

4．3 本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

作者简历