一种平面前缘升力体前缘线优化方法、系统及升力体

技术领域

本发明涉及乘波构型优化技术领域，特别是涉及一种高超声速的平面前缘升力体前缘线优化方法、系统及升力体。

背景技术

在高超声速条件下，由于常规外形的飞行器在超音速流中前缘大都是脱体激波，激波前后存在的压差使得常规外形的飞行器上的波阻非常大，飞行器将遭受极大的摩阻和波阻，升阻比提升十分困难，会面临难以逾越的“升阻比屏障”。为了解决上述问题，乘波构型的飞行器应运而生。乘波构型也称为乘波体，是一种适宜高超音速飞行的飞行器外形，其所有的前缘都具有附体激波。乘波构型飞行时其前缘平面与激波的上表面重合，就像骑在激波的波面上，依靠激波的压力产生升力。由于乘波体的上表面与自由流面同面，所以不会形成大的压差阻力。因此，乘波体被认为是最有希望打破高超声速“升阻比屏障”的一种新型气动布局。

基于各种基准流场的乘波体生成方法的发展,使得在飞行器设计过程中可以根据不同需求选择不同类型的乘波体构型。但是,乘波体构型一般难以直接满足容积率、配平、稳定性等基本的飞行器设计工程需求。针对这一情况,“准乘波体”构型优化设计方法应运而生，“准乘波体”设计过程为：保留乘波体的前缘线；从前缘线上的点出发，沿每个纵向截面采用可解析表达的曲线确定该截面型线，直到底面截止；保持对称面处型线高度与原乘波体一致；上表面仍然沿用自由流面。最后，再采用遗传算法对曲线进行优化，即可生成满足配平和纵向稳定性的高升阻比准乘波体构型。

根据前缘形状，可将准乘波体分为圆头前缘准乘波体和尖头前缘准乘波体两种形式，其典型外形分别如图2(a-d)和图3(a-d)所示。从图中可见，圆头前缘准乘波体外形比较规则，主要特征是在对称面处前缘线连续可导；而尖头前缘准乘波体外形不规则，主要特征是在对称面处前缘线有拐点、不可导，从图3(a-d)中的侧视图可见，该外形的前缘线高低不平，使得整个外形畸变比较严重。因此，在工程应用中，尖头前缘准乘波体外形不利于加工制造。然而，相比圆头乘波体，尖头乘波体在靠近头部处前缘线后掠角大，有利于降低热流，这一点对高超声速飞行器又尤为关键。

因此，如何克服尖头准乘波体外形畸变严重、不利于工程加工制造的难题，是迫切需要本领域技术人员解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种平面前缘升力体前缘线优化方法、系统及升力体。

本发明提供了如下方案：

一种平面前缘升力体前缘线优化方法，包括：

所述方法包括：

在计算坐标系下获取原始准乘波体构型的原始前缘线的首部端点以及多个尾部端点；所述计算坐标系为原始准乘波体构型的本体坐标系，所述原始准乘波体构型为原始尖头前缘准乘波体构型，所述原始前缘线为具有拐点且不可导的前缘线；

将所述首部端点与其中一个所述尾部端点连接形成直线段；

经过位于所述直线段上的所述尾部端点形成与Y轴平行的直线；

根据所述直线段以及所述直线形成投影平面；

通过沿Z轴方向将所述原始前缘线向所述投影平面投影，对所述原始前缘线进行优化形成连续可导的目标前缘线。

优选地：在所述目标前缘线选取多个点，从每个点沿每个纵向截面采用相同的曲线方程生成多条目标截面型线且均直到底面截止；

根据所述目标前缘线以及多条所述目标截面型线生成目标准乘波体构型的下表面。

优选地：所述曲线方程为与生成所述原始准乘波体构型相同的曲线方程。

优选地：所述曲线方程的表达式如下：

式中，L为给定的乘波体总长，a

优选地：所述本体坐标系为获得所述原始准乘波体构型的原始坐标系。

优选地：所述原始坐标系的X轴的指向为由原始准乘波体构型的尾部指向头部、Y轴的指向为在水平面上指向左侧、Z轴的指向为在铅锤面内指向下方。

优选地：所述原始准乘波体构型为以配平和纵向稳定性为优化目标获得的尖头前缘准乘波体。

一种平面前缘升力体前缘线优化系统，所述系统包括：

端点获取机构，用于在计算坐标系下获取原始准乘波体构型的原始前缘线的首部端点以及多个尾部端点；所述计算坐标系为原始准乘波体构型的本体坐标系，所述原始准乘波体构型为原始尖头前缘准乘波体构型，所述原始前缘线为具有拐点且不可导的前缘线；

直线段形成机构，用于将所述首部端点与其中一个所述尾部端点连接形成直线段；

直线形成机构，用于经过位于所述直线段上的所述尾部端点形成与Y轴平行的直线；

投影面形成机构，用于根据所述直线段以及所述直线形成投影平面；

目标前缘线形成机构，用于通过沿Z轴方向将所述原始前缘线向所述投影平面投影，对所述原始前缘线进行优化形成连续可导的目标前缘线。

一种平面前缘升力体构型，包括：

前缘线，所述前缘线为将原始前缘线在投影平面上投影获得的连续可导的目标前缘线；

其中，所述原始前缘线为原始尖头前缘准乘波体构型的具有拐点且不可导的前缘线；所述投影平面为通过直线段以及直线形成的平面，所述直线段为所述原始前缘线的首部端点与其中一个尾部端点连接形成的直线段，所述直线为经过位于所述直线段上的所述尾部端点形成与Y轴平行的直线，所述Y轴为原始准乘波体构型的本体坐标系中的Y轴。

优选地：下表面，所述下表面为采用与所述目标前缘线相交的多条截面型线生成的表面；所述截面型线与生成所述原始尖头前缘准乘波体构型的下表面的多条截面型线相同。

优选地：上表面，所述上表面为自由流面。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本申请实施例提供的平面前缘升力体前缘线优化方法，可以将原始尖头准乘波体构型的前缘线在指定平面上投影生成新的前缘线，可以克服原始尖头准乘波体构型外形畸变、不利于工程加工制造的问题。

另外，在优选地实施方式下，对原始尖头准乘波体构型进行修型，在新前缘基础上，保持下表面生成方法和截面型线不变，从而生成新的平面前缘升力体构型，对升力体的升阻比影响小，既保留了尖头前缘可以降低热流的优点，又克服了其外形畸变严重、不利于工程加工制造的难题，同时还可保持该类构型的高升阻比特性，为高超声速高升阻比乘波类构型的工程化应用提供了一种有效的设计方法。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种平面前缘升力体前缘线优化方法的流程图；

图2(a-d)是典型圆头前缘准乘波体构型示意图；

图3(a-d)是典型尖头前缘准乘波体构型示意图；

图4(a-b)是典型锥导乘波体生成示意图；

图5是准乘波体下表面生成示意图；

图6是本发明实施例提供的目标前缘线生成过程示意图；

图7(a-d)是本发明实施例提供的根据目标前缘线生成的平面前缘线升力体构型示意图；

图8(a-d)是本发明实施例提供的原始尖头准乘波体构型示意图；

图9是本发明实施例提供的原始尖头准乘波体构型的升阻比线形图；

图10(a-d)是本发明实施例提供的在原始尖头准乘波体构型基础上采用目标前缘线生成的平面前缘升力体构型示意图；

图11是本发明实施例提供的平面前缘升力体构型的升阻比线形图；

图12是本发明实施例提供的一种平面前缘升力体前缘线优化系统的示意图。

图中：前缘线1、原始前缘线11、目标前缘线12、截面型线2、投影平面3、激波4、轴对称体5、准乘波体构型6、基准平面7。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参见图1，为本发明实施例提供的一种平面前缘升力体前缘线优化方法，如图1所示，该方法可以包括：

S101：在计算坐标系下获取原始准乘波体构型的原始前缘线的首部端点以及多个尾部端点；所述计算坐标系为原始准乘波体构型的本体坐标系，所述原始准乘波体构型为原始尖头前缘准乘波体构型，所述原始前缘线为具有拐点且不可导的前缘线；在实际应用中，所述原始准乘波体构型为以配平和纵向稳定性为优化目标获得的尖头前缘准乘波体。该本体坐标系可以根据原始准乘波体构型当前所处的姿态所确定，为了方便进行计算，所述本体坐标系可以为获得所述原始准乘波体构型的原始坐标系。具体的，所述原始坐标系的X轴的指向为由原始准乘波体构型的尾部指向头部、Y轴的指向为在水平面上指向左侧、Z轴的指向为在铅锤面内指向下方。

S102：将所述首部端点与其中一个所述尾部端点连接形成直线段；由于准乘波体具有左右对称的特性，因此在实际应用中，为了简化操作可以仅对左右半侧中一个进行优化，然后镜像生成另一半即可。

S103：经过位于所述直线段上的所述尾部端点形成与Y轴平行的直线；在实际应用中，需要保证直线段与直线具有相同的交点。

S104：根据所述直线段以及所述直线形成投影平面；由于直线段与直线具有相同的交点，因此可以形成一个平面作为投影平面。

S105：通过沿Z轴方向将所述原始前缘线向所述投影平面投影，对所述原始前缘线进行优化形成连续可导的目标前缘线。

本申请实施例提供的方法，可以将原始尖头准乘波体构型的前缘线在指定平面上投影生成新的前缘线，在新前缘基础上，保持下表面生成方法和截面型线不变，从而生成新的平面前缘升力体构型，可以克服原始尖头准乘波体构型外形畸变、不利于工程加工制造的问题。

本申请实施例提供的方法是在基于传统生成准乘波体方法的基础上进行的改进，因此，在目标前缘线生成后，可以采用现有技术中任何一种可以生成准乘波体的方法。例如，本申请实施例可以提供在所述目标前缘线选取多个点，从每个点沿每个纵向截面采用相同的曲线方程生成多条目标截面型线且均直到底面截止；根据所述目标前缘线以及多条所述目标截面型线生成目标准乘波体构型的下表面。采用在目标前缘线上选取点，再由各个点为起点采用相同的曲线方程生成目标截面型线，可以保证生成的各条目标截面型线均与目标前缘线相交。进而保证获得的目标准乘波体构型的下表面的流场在理论上和基准流场的对应部分完全相同，激波可以完全附着在前缘线处，阻止下表面波后高压气体上溢，在小攻角即可获得较高升力。

可以理解的是，该曲线方程可以是根据需要定义的任意的曲线方程，在实际操作时，只需要保证生成各条截面型线时采用的曲线方程相同即可。例如，在一种实现方式下，本申请实施例可以提供所述曲线方程为与生成所述原始准乘波体构型相同的曲线方程。采用与原始准乘波体构型相同的曲线方程生成的下表面，可以保留原始准乘波体构型的下表面的大部分特征，变化较小，便于快速得到满足升阻比要求的升力体。

具体的，所述曲线方程的表达式如下：

式中，L为给定的乘波体总长，a

总之，本申请实施例提供的平面前缘升力体前缘线优化方法，可以对原始尖头准乘波体构型进行修型，生成平面前缘升力体构型，既保留了尖头前缘可以降低热流的优点，又克服了其外形畸变严重、不利于工程加工制造的难题，同时还可保持该类构型的高升阻比特性，为高超声速高升阻比乘波类构型的工程化应用提供了一种有效的设计方法。

下面通过具体实施方式对本申请实施例提供的方法进行详细介绍。

首先，对原始准乘波体构型的具体生成步骤进行详细介绍。

具体设计步骤如下：

步骤一、前缘线定义。

首先，根据锥导乘波体生成前缘线，其生成过程如图4(a-b)所示。给定来流马赫数Ma和锥形激波的激波角β

为了更清晰直观地描述该曲线，设激波圆半径为R

这样，给定设计参数kw、

步骤二、原始准乘波体构型生成

在上述前缘线上选取若干个点，从每个点，沿每个纵向截面采用相同的曲线形式生成该截面型线，直到底面截止，曲线表达式如下：

式中，L为给定的准乘波体总长，a

根据前缘线和截面型线，即可生成准乘波体下表面，如图5所示。

上表面采用与自由来流方向平行的自由流面。最终生成的原始准乘波体构型如下图3(a-d)所示。

由图3(a-d)中可见，生成的原始尖头前缘准乘波体构型在对称面处前缘线有拐点、不可导，这样使得在工程应用中，尖头前缘准乘波体外形不利于加工制造。

为了解决上述问题，可以采用本申请实施例提供的方法，对原始尖头前缘准乘波体构型的原始前缘线进行优化，具体的实现过程为：

考虑到左右两侧外形的对称性，仅以左半侧说明该构型的设计过程，如图6所示。

①设原始前缘线端点为点A和点B，连结两点得到线段AB；

②过B点作与Y轴平面的直线BC；

③根据AB和BC两条直线确定投影平面；

④将原始前缘线沿Z轴方向朝投影平面投影，即可获得平面前缘线；

⑤在平面前缘线上选取若干点，采用与原始准乘波体构型相同的截面型线生成下表面，上表面同样为自由流面，最终得到的平面前缘升力体构型如图7(a-d)所示。由图7(a-d)中可见，优化后获得的目标前缘线连续可导，有利于在工程应用中的加工制造。

采用本申请实施例提供的方法对原始前缘线进行优化后，即可以获得连续可导的前缘线，同时对于原始尖头前缘准乘波体构型的升阻比影响不大，完全可以满足生成的升力体对于高升阻比的要求。下面对本申请实施例对升阻比影响进行验证。

飞行工况：马赫数20，飞行高度40km。

飞行器长度：5.5米。

生成原始准乘波体构型：

原始前缘线设计参数：kw＝0.717、φ＝33.457°、η＝37.554°和λ＝25.183°。

下表面型线系数(方程3)：

采用上述原始前缘线设计参数以及下表面型线系数生成的原始尖头准乘波体构型如图8(a-d)所示，生成的原始尖头前缘准乘波体构型在对称面处前缘线有拐点、不可导。图9给出了该外形在20马赫40km高度的升阻比，在1°攻角升阻比最大，为5.44。

采用申请实施例提供的方法对原始尖头准乘波体构型的前缘线进行优化，并根据优化后获得的目标前缘线保持下表面型线系数以及曲线方程不变生成目标准乘波体构型，如图10所示，优化后获得的目标前缘线连续可导，有利于在工程应用中的加工制造。图11给出了该外形在20马赫40km高度的升阻比，该构型在1°攻角升阻比最大，达到5.5，略高于原始构型。满足升阻比的设计要求。

参见图12，与本申请实施例提供的一种平面前缘升力体前缘线优化方法相对应，如图12所示，本申请实施例还提供了一种平面前缘升力体前缘线优化系统，该系统具体可以包括：

端点获取机构201，用于在计算坐标系下获取原始准乘波体构型的原始前缘线的首部端点以及多个尾部端点；所述计算坐标系为原始准乘波体构型的本体坐标系，所述原始准乘波体构型为原始尖头前缘准乘波体构型，所述原始前缘线为具有拐点且不可导的前缘线；

直线段形成机构202，用于将所述首部端点与其中一个所述尾部端点连接形成直线段；

直线形成机构203，用于经过位于所述直线段上的所述尾部端点形成与Y轴平行的直线；

投影面形成机构204，用于根据所述直线段以及所述直线形成投影平面；

目标前缘线形成机构205，用于通过沿Z轴方向将所述原始前缘线向所述投影平面投影，对所述原始前缘线进行优化形成连续可导的目标前缘线。

与本申请实施例提供的一种平面前缘升力体前缘线优化方法以及系统相对应，本申请实施例还可以提供一种平面前缘升力体构型，包括：

前缘线，所述前缘线为将原始前缘线在投影平面上投影获得的连续可导的目标前缘线；

其中，所述原始前缘线为原始尖头前缘准乘波体构型的具有拐点且不可导的前缘线；所述投影平面为通过直线段以及直线形成的平面，所述直线段为所述原始前缘线的首部端点与其中一个尾部端点连接形成的直线段，所述直线为经过位于所述直线段上的所述尾部端点形成与Y轴平行的直线，所述Y轴为原始准乘波体构型的本体坐标系中的Y轴。

进一步的，在一种实现方式下，还可以包括下表面，所述下表面为采用与所述目标前缘线相交的多条截面型线生成的表面；所述截面型线与生成所述原始尖头前缘准乘波体构型的下表面的多条截面型线相同。

再进一步的，在另一种实现方式下，还可以包括上表面，所述上表面为自由流面。

该平面前缘升力体构型具有设计要求的升阻比，同时由于前缘线经过优化后具有连续可导的优点，因此，有利于实际工程制造。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。