有翼再入飛行器是現階段天地往返飛行器研究發(fā)展的重點,當前世界主要航天大國普遍都開展對有翼再入飛行器設計技術的研究,但該課題的研究仍然存在技術難度高、涉及學科多、學科耦合性強、研制周期長等問題。為了能有效地縮短有翼再入飛行器總體設計周期,提高設計方案的質量,本文通過總體多學科設計優(yōu)化手段,研究有翼再入飛行器總體快速設計、分析和優(yōu)化技術。研究工作主要包括如下幾個方面:(1)多學科專業(yè)模塊開發(fā):(1)研究和發(fā)展了一種自動化程度高、計算速度快、穩(wěn)健性較強的面向全空域、全速域的氣動力快速預測方法,并開發(fā)了相應的氣動力快速預測程序。該程序能夠作為有翼再入飛行器的氣動力預測、外形選型設計的工具;(2)建立了高超聲速飛行器在連續(xù)流、自由分子流以及過渡流的氣動熱環(huán)境快速預測方法,算例驗證表明該方法具備與飛行試驗數據、風洞試驗數據和CFD計算結果的一致性,能夠用于大攻角、高速再入飛行器的氣動加熱預測;(3)基于氣動熱預測結果,通過集成熱防護材料數據庫,構建了一種高超聲速飛行器整機的熱防護系統(tǒng)自動化設計方法,實現對飛行器整機熱防護系統(tǒng)的設計和優(yōu)化;(4)將氣動力快速預測方法與飛行器“準定常運動”相結合,發(fā)展了一種面向總體設計的高速飛行器動態(tài)穩(wěn)定性導數的快速預測和辨識方法,建立了對有翼再入飛行器的穩(wěn)定性、操縱性的分析方法和耦合偏離判據;(5)建立了再入軌跡的設計優(yōu)化方法,該方法能夠根據有翼再入飛行器的再入走廊約束,實現運動方程的數值求解與優(yōu)化理論的有效結合,獲得滿足精度要求的再入軌跡優(yōu)化結果。(2)根據有翼再入飛行器的總體設計原則和目標,分析了各專業(yè)模塊的輸入/輸出以及模塊之間的耦合關系,建立了對有翼再入飛行器這類新型飛行器的多學科設計優(yōu)化方法,針對有翼再入飛行器技術特點,通過集成包括幾何參數化建模、全空域/全速域氣動力估算、氣動熱與熱防護、操穩(wěn)性能評估、再入軌跡優(yōu)化、重量估算等在內的多學科專業(yè)模塊,建立了考慮操穩(wěn)特性的有翼再入飛行器多學科設計優(yōu)化方法,開發(fā)了相應的設計優(yōu)化集成系統(tǒng),為有翼再入飛行器提供了有效的總體設計方法和工具。(3)根據發(fā)展的總體多學科設計優(yōu)化方法,應用建立的設計優(yōu)化集成系統(tǒng),對類X-37B飛行器進行了考慮操穩(wěn)約束的再入軌跡、操穩(wěn)、氣動、氣動熱、熱防護等多學科設計優(yōu)化;針對氣動輔助軌道轉移飛行器這種特殊的有翼再入飛行器,對同面氣動輔助變軌問題進行了研究,分析了節(jié)約能量的指標,設計出了滿足同面氣動輔助變軌最優(yōu)控制的飛行器。上述兩個“考慮操穩(wěn)約束的有翼再入飛行器多學科設計優(yōu)化示例”驗證了本文多學科設計優(yōu)化方法的可行性和集成平臺的魯棒性。本文建立的多學科設計優(yōu)化方法可用于有翼再入飛行器總體設計;相關設計示例揭示了相關設計參數對多學科設計優(yōu)化目標的敏感性特征,研究結論可為同類飛行器的設計提供參考。
【學位單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：V411.4;V423
【部分圖文】：

圖 1.1 美國發(fā)現號航天飛機示意圖通過部分可重復使用的有翼再入飛行器系統(tǒng)減少成本，但由于當時并未能實現，最后一架航天飛機已于 2011 年退役。盡管航天飛機由導致了高昂的運行維護成本及較高的運行風險，但其研制及應用仍歷史事件[13]。航天飛機相關重復使用技術在 X 系列再入飛行器上得后續(xù)重復使用有翼再入飛行器的發(fā)展奠定了堅實的基礎。美國國家航空航天局（NASA）和美國國防部制定了國家空天飛機-30（如圖 1.2 所示）。整個空天飛機計劃將分兩步組織實施：第一樣機，第二步再研制全尺寸空天飛機。

圖 1.1 美國發(fā)現號航天飛機示意圖通過部分可重復使用的有翼再入飛行器系統(tǒng)減少成本，但由于當時并未能實現，最后一架航天飛機已于 2011 年退役。盡管航天飛機由導致了高昂的運行維護成本及較高的運行風險，但其研制及應用仍歷史事件[13]。航天飛機相關重復使用技術在 X 系列再入飛行器上得后續(xù)重復使用有翼再入飛行器的發(fā)展奠定了堅實的基礎。美國國家航空航天局（NASA）和美國國防部制定了國家空天飛機X-30（如圖 1.2 所示）。整個空天飛機計劃將分兩步組織實施：第一樣機，第二步再研制全尺寸空天飛機。

考慮操穩(wěn)特性的有翼再入飛行器總體多學科設計優(yōu)化發(fā)動機技術尚未在飛行中得到驗證，并且后來發(fā)現推進/機身一體化的 1993 年 X-30 項目被迫取消。，美國開始利用 X-33 和 X-34 飛行器及其它一些可重復使用飛行器進行-33 飛行器為單級入軌驗證飛行器，采用線性塞式發(fā)動機[15]；X-34 飛行作的飛行實驗室[16]。這兩個項目由于技術風險過高和預算問題于 20033 飛行器示意圖。
【參考文獻】

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本文編號：2877196