[發明專利]基于繞尖頭馮卡門曲線回轉體基準流場的乘波體設計方法

有效

• 申請號: 201410344888.0
• 申請日: 2014-07-18
• 公開（公告）號: CN104192302A
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發明（設計）人: 丁峰;沈赤兵;柳軍;黃偉;劉珍;李開
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: B64C21/00
• 分類號: B64C21/00;B64C30/00;B64F5/00
• 代理公司: 國防專利服務中心 11043
• 代理人: 江亞平

技術領域

本發明涉及高超聲速飛行器氣動外形設計的技術領域，具體涉及一種基于繞尖頭馮卡門曲線回轉體基準流場的乘波體設計方法。

背景技術

高超聲速飛行器是指飛行馬赫數大于5、以吸氣式發動機或其組合發動機為主要動力、能在大氣層中遠程飛行的飛行器，其應用形式包括高超聲速巡航導彈、高超聲速有人/無人飛機和空天飛機等多種飛行器。為了追求良好的巡航和打擊性能，高超聲速飛行器必須具有較高的升阻比和較大的可用空間，較大的可用空間用于提高有效載荷在總容積中所占比重。

高超聲速飛行器氣動外形主要有軸對稱構型、升力體構型和乘波體構型三大類，其中，乘波體構型利用激波壓縮原理(乘波原理)實現了在高超聲速飛行條件下高升阻比的氣動要求。

目前，最常用的乘波體設計方法是錐導乘波體設計方法。一種錐導乘波體設計方法的基本步驟是：如圖1所示，首先給定錐導乘波體構型的設計條件，設計條件包括：超聲速來流1的馬赫數以及圓錐半頂角2的角度；圓錐3的對稱軸線4與來流速度方向平行，圓錐3在超聲速來流條件中，產生錐形激波5，波后流場是錐形流場，錐形流場內任意一點的徑向速度u和切向速度v均可以通過數值積分Taylor-Maccoll錐形流動控制方程得到。然后給定前緣線8在底部橫截面6的投影曲線7，由投影曲線7上點的坐標，利用幾何關系，求解錐形激波5上的前緣線8上點的坐標；從前緣線上的點出發，將錐形流場內任意一點的徑向速度u和切向速度v作為已知條件，通過數值積分流線方程的方法進行流線追蹤至底部橫截面6，得到一條流線，并得到后緣線9上點的坐標；采用相同的流線追蹤方法，求解得到經過前緣線上其他點的所有流線，同時得到所有后緣線上的點，所有前緣線上的點組成前緣線，所有后緣線上的點組成后緣線；將所有流線放樣成流面，該流面作為乘波體構型的下表面；將由前緣線8和前緣線的投影線7組成的自由流面作為乘波體構型的上表面，前緣線的投影線7和后緣線9組成乘波體構型的底面，乘波體構型的上表面、下表面和底面組成了錐導乘波體構型。

如圖2所示，在錐形流場內，經過錐形激波5上的任意一個前緣點10的流線11均具有下凸特性。流線11在底部橫截面6上的末端點是后緣點12；自由流線13是與來流的速度平行的流線，自由流線13在底部橫截面6上的末端點是點14；流線15是非錐形流場內的具有上凸特性的流線，流線15在底部橫截面6上的末端點是點16；由點10、12和14所圍成的區域可以表示錐導乘波體構型的容積，由點10、16和14所圍成的區域可以表示非錐導乘波體構型的容積，那么由具有下凸特性的流線11所生成的錐導乘波體構型的容積顯然會比由具有上凸特性的流線15所生成的非錐導乘波體構型的容積小。如果通過增大圓錐半頂角2的方法提高錐導乘波體的容積，那么會導致錐導乘波體的升阻比特性的降低，因此錐導乘波體設計方法的最大缺陷是難以同時兼顧升阻比特性和容積特性。

發明內容

本發明要解決的技術問題是，提供一種基于繞尖頭馮卡門曲線回轉體基準流場的乘波體設計方法，提高乘波體的容積和升阻比特性。

為解決上述問題，本發明采用如下的技術方案：

1、一種基于繞尖頭馮卡門曲線回轉體基準流場的乘波體設計方法包括以下步驟：

步驟S1、將馮卡門曲線回轉體母線修型為尖頭馮卡門曲線回轉體母線，設計尖頭馮卡門曲線回轉體；

步驟S2、求解繞零攻角尖頭馮卡門曲線回轉體的超聲速軸對稱基準流場；

步驟S3、在繞零攻角尖頭馮卡門曲線回轉體的超聲速軸對稱基準流場內進行流線追蹤，生成乘波體氣動外形。

本發明將馮卡門曲線回轉體的鈍頭修型為尖頭，設計了一種尖頭馮卡門曲線回轉體，以確保該尖頭馮卡門曲線回轉體在超聲速來流、零攻角和設計馬赫數下能夠產生前緣附體激波。利用有旋特征線方法求解繞零攻角尖頭馮卡門曲線回轉體的超聲速軸對稱基準流場，并將該超聲速軸對稱基準流場作為乘波體設計的基準流場，采用流線追蹤方法，生成乘波體氣動構型。如圖3所示，零攻角尖頭馮卡門曲線回轉體17在超聲速來流1中能夠產生前緣附體激波20，經過前緣附體激波20上的任意一個前緣點21的流線22均具有上凸特性，而錐形流場內的流線24具有下凸特性，因此由繞零攻角尖頭馮卡門曲線回轉體的超聲速軸對稱基準流場作為基準流場的乘波體構型將比錐導乘波體構型的容積大，并且在超聲速來流條件下，尖頭馮卡門曲線回轉體的壓差阻力比圓錐的壓差阻力小，因此前者的升阻比也會比后者的大，實現了同時兼顧高升阻比和高容積特性的乘波體構型設計。

附圖說明

圖1為錐導乘波體設計方法的示意圖；