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空天飞机乘波布局设计、优化及数值模拟

作　者: 阳勇
导　师: 齐乃明
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 空天飞机乘波布局优化数值模拟
分类号: V475
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

对飞行器更高、更快、更远的追求一直激励着航空航天科研工作者不断努力。新世纪的军事、民用的需要对航空、航天提出了更高层次的要求。传统的航天飞机由于其发射及维修成本高、可重复使用性不好、系统复杂等因素已经难以满足各航天大国的需要。为了适应新世纪的军事、民用需求，空天飞机的概念应运而生，它集合了航空和航天的优点，成为未来航空航天技术发展的方向，引起了各航天大国的高度注意，并逐步开展研究工作。由于空天飞机飞行速度极高，Ma在5~25左右，因此低阻、高升力的气动布局设计尤为重要，本文采用目前高超声速领域重点研究的乘波体布局，并在此基础上进行了设计分析。本文首先对各种高超声速飞行器的典型气动布局的气动特性进行了对比分析，包括升力体布局、翼身融合体布局、乘波体布局。分析了各种布局的升力系数变化、阻力系数变化以及升阻比L/D变化。其次，本文以乘波体构型作为基础，结合本文的要求进行了空天飞机的气动布局设计。包括乘波体设计方法的介绍，基本参数的计算，机翼的设计，垂直尾翼的设计，超燃冲压发动机的设计以及机身的设计。最后给出了初步设计外形的具体尺寸。最后，对所设计的气动外形进行了局部优化，优化方法采用单纯形优化方法。并且对设计的乘波布局进行了二维数值模拟。采用CATIA软件生成设计外形，然后导入到GAMBIT软件中进行网格划分，设定边界条件，然后导入到流场计算软件FLUENT中进行数值计算。计算分为发动机入口开启、关闭两种情况。经过计算，得到了所设计的空天飞机气动布局的计算云图和气动特性参数的变化情况。经分析表明：1）当马赫数在5~10之间变化时，飞行器头部、发动机前缘和垂直尾翼前缘均出现激波，局部压力、温度都极高，且压力、温度最大值随着Ma增加而非线性增加；2）相同攻角α的情况下，升力系数C L、阻力系数C D随马赫数Ma的增加而增加，且C L增加较阻力系数快；3）随着攻角α增加，飞行器的L/D呈非线性增加，当攻角达到30度时，L/D达到最大值，当发动机入口开启时，最大值为3.9，当发动机入口关闭时，最大值为3.0，且L/D不随Ma的改变而改变。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
符号说明  9-10
第一章绪论  10-23
  1.1 本文研究的背景、目的及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状与发展  11-22
    1.2.1 综述  11-14
    1.2.2 国内外空天飞机研究现状  14-17
    1.2.3 国内外空天飞机气动布局研究现状  17-22
  1.3 本文主要研究内容  22-23
第二章高超声速流动概述及典型气动布局特性分析  23-40
  2.1 高超声速流动基本特征  23-26
    2.1.1 薄激波层  23-24
    2.1.2 强粘性效应  24
    2.1.3 高熵层的出现  24-25
    2.1.4 高温真实气体效应  25-26
    2.1.5 低密度效应  26
    2.1.6 低雷诺数效应  26
  2.2 典型高超声速飞行器气动布局对比分析  26-39
    2.2.1 升力体及其气动特性分析  26-31
    2.2.2 翼身融合体及其气动特性分析  31-36
    2.2.3 乘波体及其气动特性分析  36-39
  2.3 本章小结  39-40
第三章空天飞机乘波构型气动布局设计  40-53
  3.1 乘波体设计方法  40-41
    3.1.1 设计过程  40-41
  3.2 基本参数计算  41-47
    3.2.1 锥形流场计算  41-42
    3.2.2 几何参数计算  42-43
    3.2.3 气动特性计算  43-44
    3.2.4 摩擦力计算  44-47
  3.3 空天飞机乘波布局气动外形设计  47-52
    3.3.1 机翼的设计  47-49
    3.3.2 垂直尾翼的设计  49-50
    3.3.3 超燃冲压发动机的设计与布局  50
    3.3.4 机身的设计  50-52
  3.4 本章小结  52-53
第四章空天飞机乘波气动布局外形优化与数值模拟  53-79
  4.1 气动布局优化  53-54
    4.1.1 优化方法  53-54
  4.2 空天飞机乘波布局数值模拟  54-77
    4.2.1 粘流控制方程  55-56
    4.2.2 网格生成与边界条件  56-62
    4.2.3 计算结果  62-77
  4.3 本章小结  77-79
结论与展望  79-81
参考文献  81-86
附录 I 超燃冲压发动机入口关闭情况下计算云图  86-96
附录 II 超燃冲压发动机入口开启情况下计算云图  96-105
致谢  105-106
个人简历  106

空天飞机乘波布局设计、优化及数值模拟

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