[发明专利]一种可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法

说明书

本发明公开了一种可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法，通过确定机身上下轮廓控制线和左右宽度轮廓线，采用二次曲线和基于类型函数与形状函数的CST方法生成对应的截面形状，从而得到整个机身关键站位形状；通过表面放样技术获得整个机身的形状；采用数值计算方法，对流场进行计算；对控制舵面进行匹配设计；对气动外形进行优化。与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明方法综合考虑了高超声速升阻比特性和亚跨超低速进场特性，在满足内外尺寸约束的条件下，设计出了全速域均满足设计需求的可重复使用天地往返飞行器外形，优化获得的飞行器既具备优异的气动性能和较好的防热性能，又具备较好的实用性。

技术领域

本发明涉及一种满足实用性需求的可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法。

背景技术

飞行器外形的设计是飞行器研制最核心的技术，是一个多学科相互交叉耦合作用的复杂综合设计过程，为获得满足设计要求且整体性能最优的飞行器外形，必须根据飞行器的使命及总体布局的要求，考虑各种设计约束条件对飞行器性能的影响，在各学科间进行反复多次迭代，折衷平衡，优化组合。不同的战略目标、使用模式及发射平台催生了高超声速飞行器气动布局及飞行方式的创新式多样化发展，可重复使用天地往返飞行器一直是当前高超声速领域的关注重点之一。

可重复使用天地往返系统必须满足“快速、机动、廉价、可靠”等基本要求，具备高机动、低过载、大运载能力及低成本等特性。为了实现高超声速天地往返飞行，飞行器需要具备较大的再入速度、较浅的再入倾角、较好的减速特性、较大的高超声速配平升阻比及配平升力、较大的亚声速升力，并满足配平状态下俯仰、偏航、滚转三个方向的静动态稳定性，操纵控制方式简单效率高，气动热环境相对较好，防热负担小，内部装填容积及容积利用率较大，各部件几何参数分配合理，质心布置容易实现，易于可重复使用和维护等要求。因此，可以将可重复使用天地往返气动问题归结为高超声速升阻比问题、亚声速升力问题、热防护问题、稳定性与操纵性问题四大核心问题。

从传统的轴对称外形到升力体外形，设计者一直在追求更高的高超声速升阻比、更高的进场升力和更大的气动效益。但对实用型的高超声速飞行器而言，还必须同时兼顾飞行器的容积、容积利用率、侧表面积等总体约束要求，特别是分段装填需求，而飞行器的升阻比与容积利用率通常互为矛盾。因此借鉴多学科设计优化的思想进行可重复使用天地往返飞行器外形的设计是必须解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种能够满足可重复使用及内外尺寸约束需求的可实用化的天地往返飞行器外形设计方法，首先考虑飞行器的防热需求，该飞行器采取钝头升力体外形，机身防热问题并不严重，同时飞行器的机翼及控制舵采用钝化前缘以解决其防热问题。迎风面采用大面积的曲面设计负责提供升力及升阻比，而背风面则考虑装填需求和提供封闭的外形及内部空间，同时考虑了载人情况下的座舱设计。在背风面设计时主要考虑内部装填约束，采用传统二次曲线技术拟合截面形状。该外型背风面设计能够提供很好的装填空间，同时下表面采用升力体概念设计，既能满足稳定性需求，又能满足高升阻比的需求，同时在低速飞行状态下也能具备较好的气动特性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可重复使用的天地往返飞行器外形设计方法，包括如下步骤：

步骤一、根据机身长度和不同截面处的尺寸约束，确定机身上下轮廓控制线；

步骤二、根据机身总宽度及设计需求，采用与上下轮廓线相同的方法，利用二次曲线和直线段的拼接，确定机身左右宽度轮廓线；

步骤三、在每一个关键站位处采用二次曲线和基于类型函数与形状函数的CST方法生成对应的截面形状，从而得到整个机身关键站位形状；

步骤四、通过线性或多项式的插值方法，获得沿机身纵向每个站位的截面形状，通过表面放样技术获得整个机身的形状；

步骤五、采用数值计算方法，对流场进行计算，获得机身外形在高超声速和亚跨超声速时的气动特性；