發(fā)布時間：2020-11-10 00:40

　　 有翼再入飛行器是現(xiàn)階段天地往返飛行器研究發(fā)展的重點,當(dāng)前世界主要航天大國普遍都開展對有翼再入飛行器設(shè)計技術(shù)的研究,但該課題的研究仍然存在技術(shù)難度高、涉及學(xué)科多、學(xué)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(shè)計周期,提高設(shè)計方案的質(zhì)量,本文通過總體多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化手段,研究有翼再入飛行器總體快速設(shè)計、分析和優(yōu)化技術(shù)。研究工作主要包括如下幾個方面:(1)多學(xué)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(yù)測方法,并開發(fā)了相應(yīng)的氣動力快速預(yù)測程序。該程序能夠作為有翼再入飛行器的氣動力預(yù)測、外形選型設(shè)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(yù)測方法,算例驗證表明該方法具備與飛行試驗數(shù)據(jù)、風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)和CFD計算結(jié)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(yù)測;(3)基于氣動熱預(yù)測結(jié)果,通過集成熱防護材料數(shù)據(jù)庫,構(gòu)建了一種高超聲速飛行器整機的熱防護系統(tǒng)自動化設(shè)計方法,實現(xiàn)對飛行器整機熱防護系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化;(4)將氣動力快速預(yù)測方法與飛行器“準定常運動”相結(jié)合,發(fā)展了一種面向總體設(shè)計的高速飛行器動態(tài)穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)的快速預(yù)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(jù);(5)建立了再入軌跡的設(shè)計優(yōu)化方法,該方法能夠根據(jù)有翼再入飛行器的再入走廊約束,實現(xiàn)運動方程的數(shù)值求解與優(yōu)化理論的有效結(jié)合,獲得滿足精度要求的再入軌跡優(yōu)化結(jié)果。(2)根據(jù)有翼再入飛行器的總體設(shè)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(guān)系,建立了對有翼再入飛行器這類新型飛行器的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法,針對有翼再入飛行器技術(shù)特點,通過集成包括幾何參數(shù)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(nèi)的多學(xué)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(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法,開發(fā)了相應(yīng)的設(shè)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(shè)計方法和工具。(3)根據(jù)發(fā)展的總體多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法,應(yīng)用建立的設(shè)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(xué)科設(shè)計優(yōu)化;針對氣動輔助軌道轉(zhuǎn)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(shè)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(xué)科設(shè)計優(yōu)化示例”驗證了本文多學(xué)科設(shè)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(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法可用于有翼再入飛行器總體設(shè)計;相關(guān)設(shè)計示例揭示了相關(guān)設(shè)計參數(shù)對多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化目標的敏感性特征,研究結(jié)論可為同類飛行器的設(shè)計提供參考。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V411.4;V423
【部分圖文】：

圖 1.1 美國發(fā)現(xiàn)號航天飛機示意圖通過部分可重復(fù)使用的有翼再入飛行器系統(tǒng)減少成本，但由于當(dāng)時并未能實現(xiàn)，最后一架航天飛機已于 2011 年退役。盡管航天飛機由導(dǎo)致了高昂的運行維護成本及較高的運行風(fēng)險，但其研制及應(yīng)用仍歷史事件[13]。航天飛機相關(guān)重復(fù)使用技術(shù)在 X 系列再入飛行器上得后續(xù)重復(fù)使用有翼再入飛行器的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。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(xiàn)號航天飛機示意圖通過部分可重復(fù)使用的有翼再入飛行器系統(tǒng)減少成本，但由于當(dāng)時并未能實現(xiàn)，最后一架航天飛機已于 2011 年退役。盡管航天飛機由導(dǎo)致了高昂的運行維護成本及較高的運行風(fēng)險，但其研制及應(yīng)用仍歷史事件[13]。航天飛機相關(guān)重復(fù)使用技術(shù)在 X 系列再入飛行器上得后續(xù)重復(fù)使用有翼再入飛行器的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。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(xué)科設(shè)計優(yōu)化發(fā)動機技術(shù)尚未在飛行中得到驗證，并且后來發(fā)現(xiàn)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(fù)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(shù)風(fēng)險過高和預(yù)算問題于 20033 飛行器示意圖。
【參考文獻】

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1 董春云;郭志;趙培博;蔡遠利;于振華;;高超聲速飛行器再入軌跡快速優(yōu)化研究[J];固體火箭技術(shù);2015年06期

2 朱俊杰;余雄慶;;基于子集模擬優(yōu)化的空天飛機再入軌跡混合優(yōu)化方法[J];航天控制;2015年06期

3 劉磊;王宇;;空天飛機機翼結(jié)構(gòu)方案研究[J];航空計算技術(shù);2015年06期

4 柴雪;寧國棟;王曉峰;;高速飛行器多場耦合設(shè)計問題研究[J];飛航導(dǎo)彈;2015年09期

5 王慶文;柳軍;袁先旭;黃偉;;歐洲再入飛行器EXPERT地面試驗項目研究進展[J];飛航導(dǎo)彈;2015年09期

6 楊強;解維華;彭祖軍;孟松鶴;杜善義;;熱防護設(shè)計分析技術(shù)發(fā)展中的新概念與新趨勢[J];航空學(xué)報;2015年09期

7 李玉山;;基本解方法求解一類熱傳導(dǎo)方程移動邊界問題[J];自動化與儀器儀表;2015年02期

8 王俊;楊洋;周毅;柴秀麗;;一種新的燒蝕熱響應(yīng)算法在質(zhì)量估算中的應(yīng)用[J];中國空間科學(xué)技術(shù);2015年01期

9 盧寶剛;傅瑜;崔乃剛;單文昭;;基于擬平衡滑翔的數(shù)值預(yù)測再入軌跡規(guī)劃算法[J];哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報;2015年01期

10 張衛(wèi);王宇寧;李勛;;空天飛機發(fā)展及其對策分析[J];國防科技;2014年06期

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1 鄒毅;升力體航天器離軌再入軌跡設(shè)計與制導(dǎo)方法研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2014年

2 傅瑜;升力式天地往返飛行器自主制導(dǎo)方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

3 孫勇;基于改進Gauss偽譜法的高超聲速飛行器軌跡優(yōu)化與制導(dǎo)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

4 劉雙;高超聲速飛行器熱防護系統(tǒng)主動冷卻機制與效能評估[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

5 肖天航;低雷諾數(shù)非定常流場的數(shù)值方法及其在微型飛行器上的應(yīng)用[D];南京航空航天大學(xué);2009年

6 雍恩米;高超聲速滑翔式再入飛行器軌跡優(yōu)化與制導(dǎo)方法研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

7 金亮;高超聲速飛行器機體/發(fā)動機一體化構(gòu)型設(shè)計與性能研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

8 閆長海;金屬熱防護系統(tǒng)隔熱材料的隔熱機理及隔熱效率研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2006年

9 羅世彬;高超聲速飛行器機體/發(fā)動機一體化及總體多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2004年

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1 徐忠營;一體化熱防護系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

2 尹晶章;基于DATCOM的制導(dǎo)彈箭氣動力估算與分析[D];南京理工大學(xué);2017年

3 韓國凱;防隔熱一體化熱防護結(jié)構(gòu)的梯度層設(shè)計與整體優(yōu)化[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

4 苗偉東;空天飛機概念設(shè)計中操穩(wěn)特性分析與評估[D];南京航空航天大學(xué);2016年

5 宋曉玉;空天飛機總體快速設(shè)計系統(tǒng)的若干研究[D];南京航空航天大學(xué);2016年

6 劉磊;空天飛機重量估算方法研究[D];南京航空航天大學(xué);2016年

7 吳鵬;吸氣式高超聲速飛行器飛推一體化多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計研究[D];南京航空航天大學(xué);2016年

8 賈曉娟;高超聲速飛行器再入軌跡估計與跟蹤[D];西北工業(yè)大學(xué);2015年

9 辛越;基于多目標的高超聲速飛行器再入軌跡優(yōu)化方法研究[D];天津大學(xué);2014年

10 張宏安;可重復(fù)使用運載器機翼前緣熱防護系統(tǒng)設(shè)計及性能評估[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

本文編號：2877196