飞行器翼面协同优化中的气动代理模型研究

文章采用正交表、拉丁方等实验设计方法,结合多项式响应面、Kriging模型、径向基函数神经网络等近似技术,分别拟合了飞行器翼面优化所需的设计变量与性能参数的映射关系。综合考虑了计算成本和精度后,确定以基于神经网络的代理模型来代替气动学科的高精度分析模型,参与飞行器翼面的多学科优化,从而实现了各学科的模型近似并降低了运算成本。

融入压力分布信息的气动力建模方法

气动外形优化设计与飞行器性能分析中,直接运用数值模拟或风洞实验获取气动力的成本高,构建代理模型是提高外形优化和性能分析效率的重要途径.然而,构建模型的过程中,研究者只关注积分后的气动力和力矩信息.本文通过充分利用采样过程中所产生的压力分布信息,来提高建模的精度和泛化性,进而降低样本获取的成本.提出了一种小样本框架下融入压力分布信息的气动力建模方法,首先通过数值模拟或风洞试验获得不同流动参数状态下翼型表面的压力分布信息和气动系数,其次通过本征正交分解技术对压力分布信息进行特征提取,获取不同输入参数状态下压力分布信息对应的POD系数,之后结合输入参数通过Kriging算法对压力分布信息进行建模,将压力分布信息积分得到低精度气动系数的预测模型,最后低精度气动系数结合输入参数通过Kriging算法构造高精度的气动系数预测模型.通过同状态变翼型算例以及CAS350翼型变状态算例进行验证,该方法相比于传统的克里金模型直接预测气动力,有效提高了气动力的预测精度和模型的鲁棒性,同时缩小了学习样本的数据量.

变构型高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化

研究了变构型飞行器(Variable-configuration vehicle,VCV)的再入轨迹优化问题,建立了气动代理模型,用于快速预测不同变形和飞行条件下飞行器的空气动力学特性。以变形量、迎角和倾斜角的变化过程作为轨迹优化变量,定量研究了VCV的着陆区覆盖能力和避障机动性能。仿真结果表明,与固定配置飞行器(Fixed-configuration vehicle,FCV)相比,VCV除了可以实现沿再入-滑翔轨迹的最优控制之外,还可以沿再入轨迹进行最佳变形,从而达到更优的再入轨迹性能。

吸气式空空导弹外形多学科一体化优化设计

针对采用整体式固冲发动机的吸气式空空导弹外形气动与推进耦合的推阻匹配设计难题,引入多学科优化设计方法提出了一种综合考虑气动/推进/质量/弹道的导弹外形多学科一体化优化设计技术。其中,气动性能预测采用代理模型技术,主要基于外形参数化建模、非结构网格技术和流场精细数值计算来自动构建气动数据库,据此建立了包含外形几何信息的气动预测代理模型,并对其预测精度进行了验证;推进性能预测采用推进求解模型,该模型根据固冲发动机理论建立,精度满足工程要求。对所建立的学科预测模型完成一体化集成后,以质点弹道仿真评估的战技指标为优化目标,对一款吸气式空空导弹进气道和翼面外形进行了优化设计,取得了推阻匹配的优化外形,优化后导弹动力射程提高10%。所提出的一体化优化设计技术,有助于吸气式空空导弹外形气动与推进耦合推阻匹配设计和提高导弹动力射程。

基于FRTLBO-梯度增强算法的运载火箭总体优化设计

针对运载火箭设计过程中存在质量常值约束、尺寸不等式约束的问题,提出了一种基于FRTLBO-梯度增强算法的运载火箭总体优化设计方法。采用敏感度分析提取包含发动机、气动、质量、尺寸4个学科的运载火箭主要设计参数,建立基于CFD方法的气动优化设计平台,优化出低阻运载火箭外形。仿真结果表明,FRTLBO-梯度增强算法优化算法较目前主流算法求解速度快、求解精度更高,运载器最优外形趋于Ⅰ子级直径与Ⅱ子级直径相等、Ⅲ子级直径略小且总长度为约束上界的气动布局形式。