[发明专利]基准流场激波形状可控的强几何约束下的乘波体设计方法

说明书

本发明公开了一种基准流场激波形状可控的强几何约束下的乘波体设计方法，包括以下步骤：(1)根据飞行器的总体尺寸要求设定乘波体的长度和宽度，并设定基准流场的基准圆半径；(2)任意定义基准流场中的激波形状，激波类型可以根据实际情况设定；(3)结合激波形状、启动三角形、以及来流条件，利用特征线法计算出得到波后流场以及生产该激波形状的型面；(4)在得到的波后流场中，采用流线追踪法获取乘波体的前缘曲线、上表面型线和下压缩面，得到待设计的乘波体。本发明通过在超声速来流中形成指定激波形状的型线生成方法，改变基准流场的激波形状，实现严格控制乘波体几何尺寸的目的，同时提升了乘波体高升阻比等气动性能。

技术领域

本发明属于高超声速飞行器领域，具体涉及一种基准流场激波形状可控的强几何约束下的乘波体设计方法。

背景技术

乘波体是一种适宜高超声速飞行的流线形结构的飞行器，其所有的前缘都具有附体激波，乘波体飞行时其前缘平面与激波的上表面重合，依靠激波的压力产生升力，乘波体飞行器不用机翼产生升力，而是靠激波压缩产生升力而飞行。乘波体是高超声速巡航飞行器重要的前体部件，由于其优异的升阻比性能，已经成为高超声速巡航飞行器的较为理想的气动布局方案选择。为了满足飞行器的总体尺寸以及性能需求，乘波体的长度必须受到严格限制，且在任何约束情况下仍要保持优异的性能。乘波体飞行过程中，激波的产生和形状，均会对乘波体的空气动力产生很大影响，影响乘波体的升阻比。

现有主流乘波体的设计方法主要分为锥导乘波体设计方法和密切乘波体设计方法，这两种方法都能获得较好的性能，但在乘波体几何参数的控制上较薄弱。随着乘波体逐步向实际工程应用推进，乘波体的设计由单独考虑升阻比性能，已经逐步过渡到升阻比、容积率和热防护等多目标优化，对乘波体的几何参数要求越来越严格，因此，需要研究出一种能控制乘波体几何尺寸并能保持优异气动性能的乘波体设计方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基准流场激波形状可控的强几何约束下的乘波体设计方法，其通过在超声速来流中形成指定激波形状的型线生成方法，改变基准流场的激波形状，实现严格控制乘波体几何尺寸的目的，同时提升了乘波体高升阻比等气动性能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基准流场激波形状可控的强几何约束下的乘波体设计方法，其特征在于，包括以下设计步骤：

步骤(1)、根据飞行器的总体尺寸要求设定乘波体的长度和宽度，并设定基准流场的基准圆半径；

步骤(2)、任意定义基准流场中的激波形状，激波类型可根据实际条件设定；

步骤(3)、结合步骤(2)中定义的激波形状、启动三角形、以及来流条件，利用特征线法计算出得到波后流场以及生产该激波形状的型面，启动三角形根据已知超声速来流条件确定；

步骤(4)、在步骤(3)计算出得到的波后流场中，采用流线追踪法获取乘波体的前缘曲线、上表面型线和下压缩面，进一步得到待设计的基准流场激波形状可控的强几何约束下的乘波体。

作为优选，所述步骤(2)中的激波形状根据乘波体的长度和宽度、以及基准流场的基准圆半径确定。

作为优选，所述步骤(3)中采用的特征线法包括如下特征线方程：

其中，x和y表示二维笛卡尔坐标，λ_±表示特征线C_±的斜率，λ₀表示特征线C₀的斜率，u和v分别表示沿x和y方向的速度分量，θ表示流动角，α表示马赫角；

相容性方程包括：

ρVdV+dp＝0

dp-a²dρ＝0