[发明专利]一种高超声速飞行器机体与内收缩进气道综合建模方法

说明书

技术领域

本发明属于高超声速飞行器设计领域，涉及一种几何外形建模方法，尤其涉及一种高超声速飞行器机体与内收缩进气道综合建模方法。

背景技术

以超燃冲压发动机或是组合发动机为动力的高超声速飞行器可以在40Km以上的高空实现飞行速度在5马赫以上的急速飞行，具有飞行速度快、飞行高度高、突防能力强、生存能力好等优良特性，可以广泛用于战略武器的全球快速投递、战区高空侦查和可重复使用航天运载器等诸多领域。因为该型飞行器飞行条件恶劣，机体对气动力和气动热的要求极高，所以要求机身与进气道一体化设计和制造以实现气动效率的最大化。

针对高超声速飞行器推进系统的研究已经持续了近70年，基本可以依据压缩类型分为外收缩和内收缩两类进气道。两类进气道中又有二维平板进气道、二维轴对称进气道、模块化进气道、流线追踪进气道等多种类型。综合分析各种高超声速进气道构型，基于流线追踪方法的内收缩进气道可以使用较短的压缩路径来实现对气流的高效压缩。内收缩进气道还具有良好的乘波特性，在实现气流压缩的同时还能收束更多的高压气体以产生升力。

高超声速飞行器机体与进气道的综合设计具体是指在设计飞行器前体部件的同时着重考虑进气道的布置形式和进气道唇口对飞行器前体形状的影响。由于高超声速飞行器气动外形与进气道的一体化设计的特点，使得该型飞行器的气动特性与进气道的效率产生了强烈的耦合关系，因此高超声速飞行器气动外形和进气道的设计必须统一为整体的设计单元，在两者设计变量发生改变的时候能够生成新的飞行器几何外形。不仅如此，对于高超声速飞行器的气动外形优化以及气动热分析等其他方面也需要一种快速的飞行器几何外形三维建模方法。

目前国内外高超声速飞行器设计研究领域，对于该型飞行器的几何建模方法主要存在以下几个问题，一是建模过程不能完整体现进气道对高超声速飞行器气动外形的影响，部分设计手段还仅仅停留在基本构型研究上，不能够应用于实际设计；二是现有建模方法参数庞杂，或着重于整体方案的设计，或立足于局部细节的优化，但都没能给出全面的建模方法，而且原有建模方法不能使用与高超声速飞行器气动特性直接相关的几何参数，使建模过程不够直观。另外，一些成熟的CAD软件虽然能够实现复杂的几何建模功能，但其基本思路是尺寸驱动原理，适用于单独的小型零件的设计，不适用于集成度高的高超声速飞行器的参数化设计。有关高超声速飞行器几何外形参数化表达的研究将是未来的研究热点。

发明内容

本发明目的在于提供一种高超声速飞行器机体与内收缩进气道综合建模方法，采用直观反映高超声速飞行器气动特性的参数实现快速建模，克服了现有方法的不足，体现了高超声速飞行器中对机体与进气道一体化的设计特点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高超声速飞行器机体与内收缩进气道综合建模方法，包括以下步骤：

步骤(1)、按照给定的原准飞行器几何外形和各总体设计参数建立直角坐标系，机身轴线方向为x方向，翼展方向为y方向，飞行器高度方向为z方向，确定直角坐标系表达方式，构建原准飞行器机体表面网格；

步骤(2)、将飞行器各部件进行分块参数化表达处理，生成各部件的几何外形；

针对每一块部件进行表达参数的求解，求解过程中将各量单位化表达，单位化方法为其中x_R,x_L为曲面块在x-y平面上x方向的边界，y_U,y_D为曲面块在x-y平面上y方向的边界；

采用类别形状函数法进行飞行器曲面表达；

使用单位化的ψ，η表达z方向的无量纲坐标ζ，表达式为为类型函数，N1与N2定义几何外形的类别，其具体形式为和为两方向的Bernstein多项式函数，b_i,j所构成的矩阵为所求的曲面控制参数；

当特征方向为y方向时，z坐标的变换关系为z_U与z_D分别是曲面块位于y_U与y_D边界处轮廓线的z坐标，依据上式完成z方向的无量纲量向有量纲量的转换，生成各部件的几何外形；

步骤(3)、各部件外形完成后，根据各部件几何位置进行组合，微调曲面控制参数，对各部件连接处进行光顺处理，构建满足总体设计要求的各部件几何形状；