考虑配平特性的超声速客机低声爆气动布局优化研究

降低声爆水平是下一代超声速运输机研制需要解决的关键问题之一。低声爆优化通常使飞行器布局向着机翼后掠角增大、机翼沿机身方向分布范围增大的趋势发展,给飞行器的配平和低速特性带来不利影响。以某超声速客机基本构型为研究对象,建立基于类别/形状函数的翼身组合体参数化建模方法;基于超声速线化理论分析外形几何参数对声爆水平的影响。在此基础上,分别针对机身轮廓、机翼平面形状以及扭转角分布对该构型进行低声爆优化和俯仰力矩特性优化,并采用CFD方法对优化结果进行校核。结果表明:与基准构型相比,在不显著增加俯仰力矩的基础上,优化构型的阻力降低了19 cts,近场过压显著降低,地面声爆响度降低5.1 PLdB。

新一代环保型超声速客机气动相关关键技术与研究进展

更快的旅行速度是人类永恒的追求。虽然以"协和"号和"图144"为代表的第一代超声速客机商业运营失败,但之后人类从来就没有停止过对新一代更加环保的超声速客机的探索与研究。本文首先梳理总结了其中首要突破的四大关键技术(声爆预测及其抑制技术、超声速减阻技术、变循环发动机技术、低声爆低阻布局与综合优化设计技术),并对其国内外研究进展情况进行了文献综述,对研究现状进行了分析。其次,介绍了西北工业大学超声速客机研究中心在声爆预测理论与方法、声爆抑制技术、低声爆低阻布局与综合优化技术、超声速层流减阻技术等方面的研究进展。最后,针对发展新一代环保型超声速客机当前急需突破的关键科学与技术问题,探讨了未来需重点研究的方向。

双向飞翼超声速客机激波阻力和声爆研究

基于超声速双向飞翼构型,采用CFD方法进行阻力计算,采用F-BOOM程序进行声爆计算,研究翼型、平面形状和EFCE激波阻力优化算法对双向飞翼激波阻力和声爆的影响。计算结果表明,平底构型可以明显降低双向飞翼超声速客机的超声速巡航的声爆,却很大程度上增加了巡航阻力,而对称构型却恰好相反;细长的平面几何形状对降低双向飞翼激波阻力和声爆都有作用,尤其对降低对称构型的声爆效果明显;EFCE激波阻力优化算法对降低双向飞翼激波阻力有明显作用,但同时会带来声爆方面的不利影响。因此,超声速客机的减阻设计和低声爆设计需要进行权衡研究。

静音锥对超声速客机声爆水平的影响

静音锥低声爆是通过在超声速飞机头部加装静音锥将机头产生的强激波转化为一系列互不叠加的弱激波,从而降低声爆。以一种"梭式"布局的超声速客机为基本模型,采用计算流体力学和波形参数法相结合的方法,研究不同参数的单级和多级静音锥对超声速客机声爆水平的影响。结果表明:静音锥的长度可以调节激波的干涉程度;静音锥的直径和圆锥顶角可以改变静音锥的初始超压值;静音锥级数对上升时间影响显著。

基于广义Burgers方程的超声速客机远场声爆高精度预测方法

声爆高精度预测技术是新一代环保型超声速客机设计的核心关键技术之一。基于广义Burgers方程发展了可考虑"大气风"效应的远场高精度预测方法,开发了声爆预测程序"bBoom",并研究了近场声爆信号提取位置和"大气风"对远场声爆计算结果的影响。首先,给出了广义Burgers方程和声爆传播射线的计算方法,重点讨论了方程中计算分子弛豫效应和热黏吸收效应的关键参数。其次,通过简单轴对称构型标模算例、NASA的C25D构型和洛马的LM1021构型等复杂超声速客机算例对所发展的方法进行了验证,表明本文发展的方法在预测远场声爆时具有较高可信度。最后,基于所发展的方法对比了由不同近场提取位置传播到地面的波形,研究了飞机向不同方向飞行时,"大气风"对地面声爆强度和地面影响域的影响。结果表明:对于类C25D标模构型,为了确保远场声爆预测结果具有较高精度,应取机身下方约3倍机身长度位置处的近场压强信号作为传播方程的输入;另外,"大气风"会影响地面声爆强度及地面影响域,在预测时有必要加以考虑。

涡轮冲压组合发动机在超声速客机上的应用方案研究

为研究涡轮冲压组合发动机(Turbine Based Combined Cycle,TBCC)在超声速客机上的配装可行性,以Ma4超声速客机典型飞行任务需求为牵引,采用飞/发一体化约束分析与任务分析方法,建立了Ma4客机/TBCC发动机的一体化设计模型,确定了满足宽范围机动性需求的起飞推重比和满足航程需求的飞机起飞重量,对比分析了起飞推重比、模态转换马赫数、爬升轨迹等因素对飞机任务特性的影响。研究结果表明,TBCC发动机可满足Ma4客机配装需求,满足Ma4客机典型任务剖面机动性需求的起飞推重比应在0.6以上,满足60人商载与4000km航程任务需求的飞机起飞总重在50t^60t量级。

细长杆降低超声速客机气动噪声的数值分析

在超声速客机机头加装适当的细长杆可以降低飞行噪声。本文借助基于AUSM+格式的准三维数值模拟手段对7组13种细长杆方案做了分析比较,总结出了近场气体参数与远场气体参数之间的关系的规律。文章还从气体动力学理论和激波理论出发,对数值模拟结果作了解释,并揭示了细长杆降噪效果与细长杆外形的内在联系,以及近场、远场两者关系的经验公式。文章从各种方案中选取了降噪效果较好的细长杆方案做三维流场分析,并通过流固耦合计算对其结构强度做了校核,验证了方案的可行性。

考虑声爆特性的超声速客机气动优化设计

提高巡航气动效率和降低声爆强度是超声速客机设计的关键。首先建立了基于RANS方程的近场CFD预测和基于波形参数法的远场预测相结合的高精度声爆评估方法,然后采用有限差分法求解声爆目标对设计变量的梯度,与由离散伴随方程法求解的气动目标函数的梯度进行组装,作为权重目标值的梯度,并耦合自由型面变形参数化技术、基于逆距离权重插值算法的网格变形技术和序列二次规划算法,搭建了考虑声爆特性的气动优化系统。对超声速公务机翼身组合体构型先后进行了考虑声爆的机头偏转气动优化设计和机翼精细化气动减阻优化设计,优化目标分别为声爆值和阻力系数的权重之和、超声速巡航点阻力系数。结果表明,优化后机头下偏削弱了头部向下传播的激波强度,从而减小了远场声爆最大过压值;机翼精细化设计后阻力减幅达9.5%,载荷内移,外翼段压差阻力减小,同时压力分布形态表现出逆压梯度减弱、压力恢复更加平缓的特征。气动声爆综合特性明显优于初始构型,验证了优化系统的有效性。

基于伴随方法的超声速客机机翼气动优化设计

采用基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程的离散伴随方法,针对超声速客机构型开展了气动减阻优化设计研究。将自由型面变形(FFD,free form deformation)参数化技术、基于逆距离权重插值算法(IDW:inverse distance weighting)的网格变形算法和基于序列二次规划算法(SQP:sequential quadratic programming)的梯度优化算法等进行组装,建立了一套基于梯度的气动优化设计系统。通过该系统对超声速客机机翼实现精细参数化并基于此添加考虑结构要求及容积要求的厚度约束,继而进行了以全机阻力最小为设计目标的气动优化设计研究。设计结果表明,全机阻力减幅达到5.7%,机翼的激波区域得到有效抑制、激波强度明显降低,并且中外翼段压力分布形态表现出前缘吸力峰值降低,逆压梯度减弱,压力恢复更加平缓的特征。

基于增广Burgers方程的超声速客机远场声爆预测研究

声爆问题是限制超声速客机投入使用的巨大阻碍,精确的声爆预测方法是解决超声速客机声爆问题的关键。声爆远场预测方法主要有波形参数法和增广Burgers方程法,相较于波形参数法,增广Burgers方程法有更完善的模型和更高的预测精度。本文首先对增广Burgers方程求解,提出一种有效的非线性效应求解方法;然后基于算子分裂法构建声爆远场预测方法,利用第二届国际声爆研讨会的标准算例对该方法进行验证;最后分析时间、空间网格密度和缓冲信号对预测结果的影响。结果表明:基于Burgers方程的声爆求解方法不需要时间、空间网格达到收敛所需的网格密度,而是按照实际精度需求选取适当网格密度;缓冲信号的引入对于大型超声速飞机的声爆预测更加准确。

超声速客机的发展现状及趋势分析

超声速客机是一个国家工业水平的重要体现,尽管图-144、协和式飞机已经退役近30年,但世界上众多航空企业及组织依然为超声速客机的发展持续努力。本文介绍了超声速客机的发展历程、研究现状,并对超声速客机的发展趋势从技术、经济、政策等方面进行了分析,超声速客机的发展具备新的特点:(1)技术的发展有望促进美国联邦航空管理局(FAA)禁令的解除,迎来超声速客机发展的第二春;(2)超声速公务机或小型客机在长途洲际民航市场上率先出现,市场份额将持续扩大;(3)超声速客机的商用化运行任重而道远,需要在时间、技术等方面持续发力。

超声速客机归来

美国航空航天局推出的新型实验喷气式飞机是如何通过巧妙的设计减轻声爆冲击的?现代喷气式战斗机飞行时的声音响彻云霄尤其是当它们启动加力燃烧室,产生额外推力的时候,噪声更是震耳欲聋。不过,这些声音都比不上飞机突破声障时产生的如同雷霆般的巨响。这是飞行器超声速飞行时特有的物理现象,而如今的工程师正致力于实现更加安静的超声速飞行。

超声速客机低音爆布局反设计技术研究

音爆已经成为限制民用飞机在陆地上空进行超声速飞行最关键的因素。降低超声速客机的音爆水平,使其能够在陆地上空超声速飞行,将会给超声速客机带来巨大的潜在市场。基于SGD(Seebass-George-Darden)方法,构建了相关的设计分析环境,对超声速客机低音爆布局的反设计技术作了研究分析,在此基础上首次提出了一种"梭式"布局静音超声速客机方案。计算分析表明,"梭式"布局较好地兼顾了低音爆的设计要求和气动的设计要求,升力面沿机身纵向均衡配置以及双S形前机身都有利于降低音爆,为新一代低音爆超声速客机的设计提供了有益的参考。

“弯刀”发动机:高超声速客机新型动力装置

高超声速技术是21世纪航空航天领域的制高点,代表着未来军民用航空器的战略发展方向。面对高超声速飞行器严苛的工作环境、巨大的推力需求,传统的动力装置已经'力不从心',因此,新型动力装置的研制已成为各国航空科技竞赛的重中之重。

发动机成为超声速客机回归的关键

历史上只有英法联合研制的'协和'号和苏联的图-144超声速客机投入过商业运营。但因为安全性能、运营成本和环境保护等问题,均没有继续发展使用。时至今日,超声速商业飞行已消失了15年。近年来,伴随着航空技术的突破和需求的增加,除了洛马、波音等老牌制造商.

全球首架超声速客机--图-144

图-144是图波列夫设计局研制的一款超声速客机,也是目前全球唯二可超2倍声速飞行的商用客机。其外观与另一款著名的商用超声速客机“协和号”类似,像一枚巨大的白色飞镖。如同其他诞生于冷战时期的伟大科技壮举一样,图-144的出现也充满着彰显国力的意味。

超声速客机正飞来

协和号停飞20多年后,超声速客机重回公众视野。2020年7月,著名的初创公司博姆公司(Boom)宣布,公司正在研制的XB-1超声速客机整体式机翼和机身已经完成对接,并完成了机翼的加载试验。XB-1超声速飞机的载客人数为75人,按计划将于2021年开始试飞。

柯林斯与Boom合作开发超声速客机短舱技术

雷神公司所属的柯林斯公司将与Boom超声速公司合作,为Boom公司的"序曲"(Overture)超声速客机开发发动机进气道、短舱和排气系统。合作的目标是让“序曲”实现更高的性能、更低的油耗和更安静的运行。

天下武功 唯快不破——超声速客机研制最新进展

近期,携程战略投资超声速飞机制造商Boom的新闻,让这家美国初创公司受到了国人的关注。事实上,超声速客机并不是什么新概念,但百年航空发展史上,人类对于超声速客机的多次尝试均以失败告终。进入21世纪后,航空业对于超声速客机的研发热情再度高涨。

超声速客机的研发进行时

在人类追求飞行速度的历程中,“协和”号飞机是一个绕不开的话题。在2019年的英国纹身节航展上,法国“巡逻兵”飞行表演队还专门在空中摆出了“协和”号的标识,以纪念“协和”号首飞50周年。尽管从商业运营的角度看,“协和”号并不是一款成功的产品,但就当时的技术来看,它却是人类追求速度巅峰的极限之作。