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。

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。

史蒂文斯响度在超声速民机低声爆设计中的应用

低声爆设计是超声速民机设计中的关键技术之一,其核心问题在于选择合适的声爆衡量参量作为优化目标。将史蒂文斯响度计算方法集成至现有的超声速民机低声爆优化设计平台,并以Seeb-ALR锥体模型为例,分别选取声爆史蒂文斯总响度级与近场最大过压值为优化目标,以锥体轮廓线为优化对象进行低声爆设计。相比Seeb-ALR原始模型,锥体轮廓线优化后的总响度级优化与近场最大过压值优化使最大过压值分别降低了18.4%和40.6%,地面声爆响度级分别降低了2.2PLdB和1.4PLdB。优化结果表明该超声速民机低声爆设计平台实现了史蒂文斯响度方法的应用,可以通过响度级反映对地面人员的影响,并将其应用于低声爆设计。选择不同的声爆评价参量作为优化目标,优化后的模型轮廓线和远近场过压分布形态均存在较大差异,与近场过压最大值优化相比,基于声爆响度级的优化策略能更有效地降低地面声爆。

一种先进超声速民机低声爆高效气动布局设计

低声爆高效气动布局设计是超声速民机研究的重点和关键技术之一。采用基于声爆最小化理论反设计方法、波系有益干扰后体设计方法、参数化近场超压信号的混合可信度反设计方法,提出了一种先进超声速民机低声爆气动布局,对每一步降低声爆的效果进行了分析并研究了该布局的全声爆毯特性;采用CFD数值求解近场声爆信号并通过Burgers方程传播到远场,研究了飞行高度、飞行马赫数等参数对该气动布局地面声爆响度的影响;采用CFD数值模拟方法研究了飞行高度、马赫数等参数对该气动布局气动特性的影响。研究表明,采用基于声爆最小化理论反设计方法降低了基准气动布局的地面声爆响度约6.54 PLdB,采用波系有益干扰后体设计方法进一步使地面声爆响度降低了约0.97 PLdB,采用参数化近场超压信号的混合可信度反设计方法使气动布局地面声爆响度进一步降低了约4.04 PLdB;合理地设计飞行高度、飞行马赫数,可以有效地降低地面声爆响度;合理地选择巡航飞行高度和巡航飞行马赫数,可以有效地提高巡航效率。研究工作对超声速民机气动布局设计具有一定的工程指导价值,对超声速民机总体气动方案设计亦具有一定的工程借鉴意义。

美国研究超声速低声爆推进系统

美国在提高超声速运输机的巡航飞行性能和降噪方面已经取得了突破性的进展，使美国NASA和工业界对于超声速运输机重回陆地上空执飞日常航班的信心大增。目前，他们正在进行与机体一体化的低噪声推进系统研究，本文介绍的是创新性的低声爆发动机短舱和尾喷管。

声爆研究的现状与挑战

声爆是超声速飞行器所特有的一种气动声学现象,其涉及空气动力学和非线性声学等研究领域,开展相关研究具有重要的学术意义和应用前景。本文简述了声爆的基本概念、主要特征和主要危害,简要回顾了声爆的产生、发展和演化的研究历史,重点介绍了声爆的数值模拟、风洞试验和飞行试验预测方法,以及近年来提出的声爆抑制方法和低声爆气动优化设计方法的发展现状;最后总结了当前声爆预测方法面临的技术难点和挑战。

超声速全机带动力短舱对近场压力信号和地面声爆的影响

新一代环保高效的超声速商用飞机是近年来研究的热点,低声爆技术是关键技术之一。研究声爆的影响因素有助于推进低声爆设计技术的发展。就超声速飞机整机而言,发动机对近场和远场压力信号及地面声爆的影响颇为重要。国内外众多学者和研究单位对此进行了研究。中国商飞北研中心针对超声速带动力对近场压力信号和声爆的影响展开了一系列研究,选取美国AIAA声爆预测会议提供的低声爆验证标模NASA C25D,针对通气短舱和动力短舱构型进行了数值模拟和分析研究,采用基于Euler方法和基于RANS方法的定常计算,通过波形参数法由近场压力信号计算地面声爆信号,并转化为可感知强度值,与部分参会者的结果进行了对比。总结了黏性、是否带动力对超声速飞机近场压力信号和声爆的影响,为未来超声速商用飞机的低声爆设计储备技术基础。

机翼上反角对超声速民机全声爆毯声爆特性影响研究

超声速民机是下一代民机的重点发展方向之一,但声爆仍是制约其投入商业运营的关键核心问题。然而,现阶段低声爆设计相关研究大多针对航迹正下方开展,缺少对全声爆毯声爆特性的考虑。针对该问题,本文开展了机翼上反角对全声爆毯声爆特性影响研究。首先,定义了全声爆毯平均声爆强度,该物理量考虑了不同周向角声爆的感觉声压级与影响域宽度,可衡量全声爆毯的声爆水平;然后,采用声爆快速预测方法研究了机翼上反角与全声爆毯声爆强度之间的关系;最后,通过计算流体力学(CFD)数值模拟分析了机翼上反抑制声爆的原理与对近/远场波形及地面感觉声压级的影响。结果表明,机翼上反能够减弱机翼下方各周向角的激波强度,从而降低整个地面声爆毯内的声爆水平;针对研究构型,13.88°上反角可将全声爆毯平均声爆强度降低3.23PLdB。

基于逆向增广Burgers方程的声爆反演技术

声爆问题一直是制约超声速客机发展的障碍之一,因此低声爆设计技术在超声速客机的设计中尤为重要。逆向增广Burgers方程可将中场声压信号反演至近场,能够为低声爆反设计工作提供优化目标。围绕逆向增广Burgers方程展开研究,运用算子分裂法和正则化伪抛物型方程法对逆向方程进行数值求解,并求取对应的反向等效面积。借助3个标准算例,对数值方法的收敛性、求解准确度、不同中场高度及不同周向角下反演技术的计算精度进行了研究。针对逆向增广Burgers方程的特点,探讨了在中场设置目标波形进行反设计方法的可行性,并对声压信号中高频分量的传播特性进行了研究。研究认为上述方法能够较为准确地完成中场至近场的声压信号反演计算,并且使用中场目标波形代替地面目标波形能减轻反演距离对反演计算过程的影响。

超声速民机总体气动布局设计关键技术研究进展

超声速民机已成为世界民机未来发展的主要方向之一。超声速民机由于涉及声爆等一系列特殊的技术问题,比亚声速民机的性能要求更苛刻,对总体气动布局设计提出了更高要求。首先,根据设计思想和主要技术特点,将世界迄今为止的代表性超声速民机布局方案划分为三代:第1代布局主要旨在实现民用超声速飞行并兼顾高低速性能,基本为三角翼/双三角翼布局;第2代布局更加重视低声爆/低阻性能,主要采用大后掠箭形翼布局;第3代布局在低声爆/低阻要求基础上,更加注重多学科综合性能和技术可行性,主要采用“大后掠机翼+鸭翼/T尾/V尾布局和发动机短舱背负式/尾吊式”的布局。其次,梳理了新一代超声速民机总体气动布局设计目前面临的技术瓶颈和难点,对总体设计技术、低声爆设计技术、超声速减阻技术和飞-发一体化设计技术的国内外研究进展和现状进行了综述和分析。最后,展望了新一代超声速民机总体气动布局的发展趋势,针对仍需突破的关键科学与技术问题,探讨了重要研究方向。未来将优先发展超声速公务机或中小型超声速民机,其布局技术特点趋近于第3代布局,声爆、减阻、飞-发一体化、起降噪声、气动弹性、人机功效等方面的综合性能和工程可实现性将成为重点研究对象。