[发明专利]基于弯曲激波理论的全三维乘波体反设计方法

说明书

基于弯曲激波理论的全三维乘波体反设计方法，1)根据设计要求指定全三维基准流场内三维外流激波，全三维外流激波采用椭圆或非轴对称形状设计；2)将全三维外流激波离散为一系列参考平面，根据全三维外流激波角、激波曲率以及波后参数，利用弯曲激波理论求解对应的全三维外压缩基本流场；3)设计全三维乘波体捕获型线并在步骤2)的全三维外压缩基本流场中进行流线追踪得到高超声速全三维乘波体下表面压缩型面，所述型线采用椭圆曲线或非轴对称形状；4)以下表面压缩型面为基础对高超声速全三维乘波体进行几何构造：根据容积率要求，将乘波体上表面构造为平面或凸面，获得在设计飞行状态下基于弯曲激波理论的全三维乘波体。

技术领域

本发明涉及临近空间高超声速乘波体领域，尤其涉及基于弯曲激波理论的全三维乘波体反设计方法。

背景技术

临近空间飞行器的发展涉及国家安全与和平利用空间，是目前国际竞相争夺空间技术的焦点之一。以美国、俄罗斯为代表的世界强国都在大力推进各自的高超声速飞行研制计划(Joseph,M.H,James S.M.Richard C.M.,The X-51A Scramjet Engine FlightDemonstration Program,15^th AIAA International Space Planes and HypersonicSystems and Technologies Conference,2008)。当气流穿过激波时，压力能够迅速上升。由于升力是表面压差的产物，压力跃变是超声速飞行器设计的巨大优势，因此，通过激波增压提供升力的超声速飞行器又被称为乘波体。乘波体将是未来长途旅行和太空探索的理想交通工具。1959年，Nonweiler首先从一个典型的无粘二维基本流场中生成了乘波体(Nonweiler,T.R.F.,“Aerodynamic Problems of Manned Space Vehicles,”TheAeronautical Journal,Vol.63,No.585,1959,pp.521–528)。随着激波理论从二维发展到轴对称，乘波理论也从二维基本流场扩展到轴对称基本流场。1980年，Rasmussen基于无粘高超声速小扰动理论，利用锥形流场设计了乘波体(Rasmussen,and Ford,M.P.,“Waverider Configurations Derived from Inclined Circular and Elliptic Cones,”Journal of Spacecraft and Rockets,Vol.17,No.6,1980,pp.537–545)。这种结构以锥形基本流场命名为锥导乘波器。此后，由于圆锥流的气动优势，许多研究者对圆锥流的乘波体进行了广泛的研究。但是由于设计方法的局限性，这种锥导乘波器产生的激波必须是轴对称的，这限制了乘波体的结构范围。因此，Sobieczky在1995年提出了密切乘波体理论来设计具有广义激波的乘波体(Jones,K.D.,Sobieczky,H.,Seebass,A.R.,and Dougherty,F.C.,“Waverider design for generalized shock geometries,”Journal ofSpacecraft and Rockets,Vol.32,No.6,1995,pp.957–963.)。其核心思想是将三维流动分解为一系列的二维或轴对称的吻切面流动。国内尤延铖等人在吻切乘波理论基础上首次提出了双乘波理论来整合内部和外部流动(Li,Y.Q.,Shi,C.G.,Zheng,X.G.,and You,Y.C.,“Dual Waverider to Integrate External and Internal Flows,”JOURNAL OFAIRCRAFT,2019.)。