垂直起降无人机气动布局设计研究进展

垂直起降无人机是当前航空领域的研究热点。文章介绍了倾转旋翼、倾转涵道和双系统式三类垂直起降无人机的工作原理和典型机型,分析和讨论了其气动布局特征及其设计研究进展,提出了垂直起降无人机气动布局设计和优化、飞行控制、侧风效应和结构轻量化设计方面的研究建议。

考虑机身累积热变形的高速飞机气动布局稳健优化

长时间、重复的高马赫数飞行会因综合力/热效应累积而引起飞行器几何布局变形。本文以高速飞机高马赫数长航时巡航所产生的机身累积热变形效应为不确定性输入,对该不确定性因素进行了表征建模,而后将其引入到气动布局的优化设计中,建立考虑机身累积热变形的高速飞机气动布局稳健优化模型,并提出模型求解策略。通过4个不同优化模型的对比,验证了本文稳健优化模型和策略的有效性。仿真分析结果指出,累积热变形效应会影响飞行器气动性能的准确预测,预测偏差的传播会影响优化的收敛方向,并最终影响最后的优化构型。

基于Pareto遗传算法和神经网络的无人机气动布局研究

设计了一种无人机气动布局优化方法。首先,基于流场仿真手段获取了无人机典型机翼形状设计参数以及主要气动性能指标,以此作为优化无人机气动布局的数据来源。基于得到的无人机机翼形状主要参数和性能指标,利用神经网络方法建立两者映射关系库。在给定大迎角和巡航状态下,运用Pareto遗传算法和映射关系库,以升阻比和升力系数为目标函数,得到最佳的性能参数组合,以及最佳的机翼形状数据,并基于流场仿真方法,将最优机翼形状数据输入到模型中,得到机翼形状流场压力的分布规律,验证方法的正确性。

压气机叶片非同步振动机理及气动布局优化研究

针对航空发动机叶片中的非同步振动诱发叶片断裂失效问题,基于时域推进的方法建立了压气机全周物理域的流固双向耦合模型,旨在对周向非定常扰流和叶片气动弹性特征进行更合理的描述。通过该模型揭示了叶片非同步振动的发生机理,并通过一定的气动布局手段优化了叶片表面气动力和振动幅值。研究表明:叶尖泄漏流与主流掺混后形成的通道涡是诱发叶片产生非同步振动的根本原因,而掺混流的周向传播强度仅在一适中的范围内时才具有产生明显通道涡的能力,并提出以通道前缘截面上的流动相对周向动量Wmix为判断通道涡和振动幅度强弱的依据。导叶偏转角或导叶栅距非谐程度的增大,均会对掺混流的周向强度有一定的加强作用,使得通道涡强度和非同步振动幅值呈现先增大后减小的趋势。

低声爆超声速飞机气动布局技术研究进展

超声速飞机气动布局对声爆强度具有重要影响,而低声爆气动布局是新一代超声速民用飞机的关键,因此低声爆气动布局得到了广泛研究。本文在系统调研声爆抑制技术的基础上,介绍了国外降低超声速飞机声爆的六种主要气动方法,包括优化飞机体积与升力分布,改变机翼掠角,利用机翼上反角,采用长细机身,采用抑波锥,机翼上方安装发动机;总结并分析了低声爆超声速飞机的四种主要气动布局形式,根据当前低声爆超声速飞机布局形式得出三角翼布局是下一代环保型超声速客机的主要气动布局形式;展望了低声爆超声速飞机气动布局技术的未来发展趋势。

高超声速变构型飞行器气动布局优化设计

本文结合FFD几何外形参数化、径向基函数网格变形技术、基于GPU的CFD数值模拟方法、代理模型优化算法等优化设计方法,构建了高效气动布局优化设计系统,利用该系统进行了高超声速变构型飞行器气动布局优化设计。选取高超声速变构型飞行器机翼上、下表面各30个控制点作为优化设计变量。优化外形在外翼回收段升力系数基本保持不变,阻力系数减小了0.001238,相对减少量为5.6%;外翼展开高速巡航段升力系数和阻力系数相对于初始外形变化较小,其升阻比增加了0.005,相对增加量为0.12%。

低成本货运无人机的气动布局方案设计

分析了现代电子商务快速发展的背后物流行业面临的难题,提出可以采用货运无人机作为解决方案。以某单发货运无人机为载体,进行气动布局方案设计,分对几种同量级飞机常用气动布局作为货运飞机布局方案为主要研究对象。通过计算和仿真,从重量和气动效率两个方面对方案进行成本分析,最后得出一种低成本货运无人机气动布局方案。

复合式常规旋翼高速直升机机身气动布局风洞试验研究

复合式常规旋翼高速直升机是国内外高速直升机重点发展的几种构型之一。本文首先简要介绍了某300kg复合式常规旋翼高速直升机的机身气动布局形式,针对该机设计并加工了1∶1.5机身风洞试验模型,在4m×3m风洞开展了机身气动特性风洞试验。通过对比不同机身部件组合状态在不同迎角、侧滑角条件下的气动力及纵横向气动导数,获得了全机及各部件气动性能。根据风洞试验结果,结合已建立的旋翼气动力模型和螺旋桨气动力模型,建立了全机飞行力学模型,并分析了不同飞行速度下全机的静稳定性,验证了该复合式高速直升机具有合理的机身气动布局,研究结果可为复合式常规旋翼高速直升机的进一步发展提供参考。

机载高超声速飞行器中的轴对称旋成体气动布局研究综述

气动布局设计是机载高超声速飞行器总体设计的必要内容之一,轴对称旋成体布局作为一种机载飞行器应用的主流布局形式之一,有着极为重要的研究价值。本文从总体和气动的视角概述了三款使用轴对称旋成体布局的机载高超声速飞行器。分析了采用此种布局的飞行器在研发过程中可能遇到的难题和阻碍,并站在工程应用的角度给出了解决这些难题和阻碍的手段。最后,展望了轴对称旋成体布局的机载高超声速飞行器在未来的发展趋势,为国内机载高超声速飞行器的研制工作提供借鉴与参考。

高超声速再入飞行器气动布局多目标优化

气动布局的多目标优化是飞行器设计中的关键技术。提出一种新的高超声速再入飞行器气动外形参数的多目标优化方法,证明外形优化对高超声速流下飞行器性能的影响。通过实例仿真对飞行器所受阻力和升力对制导性能影响进行详细验证分析,将飞行器落点圆概率偏差、末速大于500 m/s的占比、最大飞行过载小于60g的占比这3个性能指标作为优化目标,将升力特性作为中间参数,将气动布局优化问题分解为2个子问题,通过基于搜索算法的升力特性优化和基于改进的模拟退火算法的外形参数优化,减少优化计算时间、提升计算效率、实现对飞行器主体和襟翼的气动布局优化、获得高超声速流下的最佳飞行器外形。仿真结果表明:在确定的约束条件下,优化算法增加了飞行器在超音速流下的气动升力,有效提高了升阻比。在不影响最大飞行过载的前提下,优化后的飞行器表现出更高的气动性能,显著提升了命中精度,同时末速也满足指标要求,制导系统性能得到有效改善。

全速域可变形飞行器气动布局设计及试验研究

为了解决大空域、宽速域水平起降可重复使用飞行器的气动适应性问题,设计了一种满足高超声速巡航飞行性能的飞行器,为解决该种飞行器地面水平起飞和高速巡航飞行气动性能矛盾的问题,提出了两种变形布局方式——伸缩翼布局和翻转翼布局。通过数值手段比较分析了两种变形布局的低速气动特性,并通过风洞试验对其性能进行了验证。结果表明,在增加相同机翼面积时,伸缩翼在起飞状态增升效率为68%,同时阻力增加35%;翻转翼在起飞状态增升效率为42%,阻力增加15%;伸缩翼布局比翻转翼布局的起飞升力大16%,阻力大20%,伸缩翼布局具有明显的升力优势,说明亚声速状态增加机翼展弦比是增升的有效手段,但同时也带来阻力的增加;鸭翼具有显著的增升效果,起飞状态增升12.8%,同时阻力降低1.4%,纵向压心系数绝对值前移0.48%,有效缓解了起飞状态升力和纵向稳定性的问题。

升力体机动飞行器气动布局概念设计

开展高超声速机动飞行器的气动布局概念设计研究,提出一种新的升力体机动飞行器气动布局方案,进行了机体的优化设计,并进行了控制舵的匹配设计,研究了飞行器的气动特性和操纵效率问题。研究表明,该方案可以获得较高的配平升阻比及配平攻角,有较高的机动控制效率,是高超声速飞行器实现高机动的潜在可行方案。

鸭翼-前掠翼气动布局纵向气动特性实验研究

前掠翼布局由于其潜在的优势,在未来战斗机的研制中将占有日益重要的地位。本实验通过可变前掠翼和鸭式前翼布局的风洞测力实验,重点分析比较了平板机翼在不同掠角下的纵向气动性能以及鸭翼的影响。实验结果表明,前掠翼在大迎角时能有效提高模型的升力系数,小迎角时其升阻比也略优于后掠翼。前掠翼布局能有效推迟失速,具有良好的失速特性;前掠角较大时,升力系数曲线在失速迎角附近有一个升力系数的"平台",该布局具有"缓失速"特性。距离主机翼较远的鸭式前翼(模型M2)在主机翼前掠和后掠情况下,均可改善整体布局的失速特性,增大失速迎角,增强前掠翼布局缓失速的特点。近距耦合鸭翼(模型M3)显著提高了模型在大迎角下的升力系数。另外,主翼前掠和鸭式前翼布局飞行器具有较好的机动性。

类X-37运载器气动布局概念设计

利用二次曲线方法与基于类型函数和形状函数的CST方法,提出一种类X-37高超声速飞行器气动外形,进行机体的气动力分析和控制舵的匹配设计,研究飞行器的气动特性和操纵效率问题。研究表明,该方案可以获得较高的配平攻角,有较高的容积利用率和机动控制效率,可以作为未来航天飞行器的潜在可行方案。

典型气动布局高超声速飞行的气动力数值评估

采用自主开发的数值软件SPACER对典型气动布局在Ma=6.0(Re=1×107)高超声速巡航时的气动力性能进行了数值评估。评估的气动布局包括类乘波体(仿X-51A)、翼身融合体(仿ISR)、传统升力体(仿X-33)和轴对称锥形体(仿Fasthawk导弹)。由于升力体范围较广,还对一种相对扁平的升力体模型进行了数值评估。评估结果表明:在考察条件下,类乘波体具有较大的升阻比和较小的阻力,是很有潜力的高超声速巡航气动布局;翼身融合体和传统升力体需一定的改进和进一步的研究,如扁平升力体的气动性能可得到大幅提升;轴对称锥形体以其总阻力小,也具有一定优势。

高超声速风洞气动布局设计

在分析国内外高超声速风洞发展现状的基础上,根据南京航空航天大学高超声速风洞(Nanjing Universityof Aeronautics&Astronautics Hypersonic Wind Tunnel,NHW)总体技术指标和要求,对该风洞气动布局设计方案和各部件的气动设计进行了研究。风洞气动布局设计点为马赫数5和8、设计总压为1 MPa、总温685 K;风洞驱动方式采用高压下吹-真空吸气式方案,运行时间大于10 s、高压气源容积为32 m3、真空容积为650 m3;风洞加热方式采用金属板蓄热式加热器方案;风洞试验马赫数获取方式采用0.5 m口径的马赫数5,6,7和8的型面喷管方案。

基于多目标遗传算法的再入飞行器气动布局优化

本文采用多目标遗传算法来确定再入飞行器气动布局优化问题的Pareto最优解集 ,并和传统的多目标优化方法 (加权和方法、约束法 )进行比较。通过计算表明 ,多目标遗传算法能够在一次运行中搜索到优化问题的近似Pareto最优解集 ,这为飞行器设计者进行目标折衷决策提供了充分的依据。

变前掠翼气动布局纵向性能研究

发展和改进了一种变前掠翼气动布局及其设计思想,设计了集战斗和轰炸于一体的通用任务模式,并根据设计指标和翼身融合技术初步设计了变翼几何外形。采用N-S方程计算了该几何外形不同构型的纵向气动性能,分析了机翼前掠角对不同任务模式下纵向气动性能的影响。结果表明,变前掠翼气动布局可通过改变机翼前掠角来获取最佳纵向气动性能。

一种可重复使用天地往返升力体飞行器概念及其气动布局优化设计研究

通过调研和梳理国内外可重复使用天地往返运输系统的方案、任务剖面、气动布局、气动特点以及飞行性能等发展情况,综合使用二次曲线方法与基于类型函数和形状函数的CST方法,提出一种具有较好的继承性和可持续自主创新发展的新型的可重复使用天地往返升力体飞行器概念(FL-T1)。通过对其进行全速域的升阻特性、压心与质心布置、稳定性分析等,全面掌握了该升力体布局的气动特性。通过对该布局控制舵的匹配设计,研究了飞行器的操纵效率问题。通过多目标优化设计的思想,发展和完善了多目标优化计算方法和软件。针对本文提出的可重复使用天地往返升力体飞行器概念(FL-T1),开展了考虑气动力/气动热综合的多目标优化,获得了性能较优的优化布局。研究表明,该新型气动布局概念具有较大的高超声速配平升阻比、较好的减速特性、可接受的气动热环境、较好的高超声速稳定性和气动控制效率,可以作为未来可重复使用天地往返飞行器的潜在可行方案。在综合性能上,通过本文发展的多目标优化软件优化获得的一系列气动布局方案较初始气动布局,在所关注的方面均有显著的改进,可作为一系列备选方案供设计者选择。

真实气体效应试飞器气动布局研究

针对真实气体效应飞行试验的要求对试飞器气动布局开展了设计研究,采用平衡气体模型对真实气体效应进行数值模拟,通过与理想气体状态方程数值模拟结果的比较,分析了真实气体效应对不同试飞器外形气动特性的影响规律,总结出真实气体效应试飞器外形的基本设计要素,给出了适用于真实气体效应飞行试验的试飞器气动布局.