[发明专利]一种基于可变构型空天飞行器的气动布局设计方法

说明书

本发明公开了一种基于可变构型空天飞行器的气动布局设计方法，包括：分别确定可变构型空天飞行器的低速基准布局及高速基准布局，采用状态类型函数方法对其几何外形进行参数化描述；采用工程估算方法建立相应的参数化动力学模型，依据相似性准则整合不同速域的模型，构建相应的代理模型；采用灵敏度分析方法确定飞行条件和气动布局变化对飞行控制系统性能的影响，确定可变构型空天飞行器的稳定边界及系统要求；通过全速域性能匹配分析，确定可变构型空天飞行器的变布局方案。本发明通过适当改变飞行器的机翼构型，确保每一个任务阶段飞行器具有最优的气动布局，实现最小能耗下的大包线连续飞行，满足航空航天飞行器一体化设计的需要。

技术领域

本发明涉及一种基于可变构型空天飞行器的气动布局设计方法，属于飞行器总体设计技术领域。

背景技术

可重复使用的水平起降飞行技术被认为是往返空间的颠覆性技术，是人类不断追求的目标，其目的是为了实现地面自主起飞、进出空间、降落和重复使用，最终达到快速、高效、经济往返空间的目的。然而，飞行器飞行速度经过亚声速、跨声速、超声速和高超声速范围，具有飞行包线大、气动环境复杂等特点，单一的飞行器构型很难满足飞行复杂的任务要求，如果能将飞行器设计成可变体，通过适当改变飞行器的机翼构型，确保每一个任务阶段飞行器具有最优的气动布局，从而降低总体对动力系统的苛刻要求和过分依赖，实现最小能耗下的大包线连续飞行，满足航空航天飞行器一体化设计的需要。

未来飞行器飞行速度经过亚声速、跨声速、超声速和高超声速范围，具有飞行包线大、气动环境复杂等特点。不同飞行状态都对应着其最佳的机翼形状：亚声速飞行时，后掠角较小的梯形机翼能够提供较大的升阻比，降低发动机要求，缩短起飞和降落的滑行距离，战时适用性较高；跨声速飞行时，为了克服音障，通常采用相对厚度较大的后掠机翼，能够使得临界马赫数增大，并且保证跨声速时的气动特性平稳变化；超声速飞行时，广泛使用薄三角形机翼和小展弦比后掠机翼，能够大幅降低波阻，然而该型机翼会导致飞行器在亚声速和起飞着陆状态的空气动力特性和飞行性能变坏，并且该机翼升阻比低，需要很大的推重比才能在低空作大过载稳定机动。

合并这一系列性能要求是一项极其复杂的任务，如在巡航高度和近地飞行有大的亚声速和超声速航程，在近地飞行时最大速度要大，并在超声速状态能长时间飞行、在亚声速飞行时机动性高和起飞与着陆滑跑距离短。将所有的这些特性综合在一架固定机翼的飞行器上，要求满足所有需求无疑给工程实现带来极大难度。借助于可变形机翼能够满足所有飞行状态，通过改变展弦比和机翼后掠角等结构形状，可满足飞行器的不同飞行环境和一系列飞行任务需求。一般来说，将机翼结构变形与飞行器结合，可使飞行器扩大飞行器飞行包线和工作区域，同时优化飞行器不同环境和任务下的飞行性能。

基于上述要求，本发明提出一种基于可变构型空天飞行器的气动布局设计方法，将机翼结构变形与飞行器结合，借助于可变形机翼能够满足所有飞行状态，通过改变展弦比和机翼后掠角等结构形状，满足飞行器的不同飞行环境和一系列飞行任务需求。除此之外，所提出的变构型飞行器及其变形方法能扩大飞行器飞行包线和工作区域，使飞行器在切换过程中保持良好的气动性能，保证系统稳定性和操纵性；同时亦能优化飞行器不同环境和任务下的飞行性能，使得其在飞行过程中根据需要改变自身的外形结构，改善气动性能，提高飞行效率，拓宽任务范围。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于可变构型空天飞行器的气动布局设计方法，通过适当改变飞行器的机翼构型，确保每一个任务阶段飞行器具有最优的气动布局，从而降低总体对动力系统的苛刻要求和过分依赖，实现最小能耗下的大包线连续飞行，满足航空航天飞行器一体化设计的需要。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于可变构型空天飞行器的气动布局设计方法，包括以下步骤：

步骤一：构建参数化几何模型