跨大气层飞行器总体设计及优化方法研究与实现

论文摘要

跨大气层飞行器（Transatmospheric Vehicle, TAV）是二十一世纪各国航空航天技术研究的一个热点,具有独特的高空高超声速飞行性能,随着经济和技术的不断进步,这种飞行器也正不断完善和发展,将在未来逐渐取代第一代天地往返运输工具,成为所谓的“空天飞机”,它将具有较低的可重复运输费用、更短的准备时间、更灵活的任务适应性等优点。跨大气层飞行器的研究涉及气动布局、气动加热、结构防热与冷却、吸气式推进系统、轻质材料、高能燃料、自动控制等多学科技术问题。跨大气层飞行器技术将推动高技术领域的全面发展,促进高技术的融合与应用,一旦此类飞行器的研制获得突破,将极大提升航空航天运输能力和空间支持能力。因此,跨大气层飞行器的研究具有前瞻性、战略性和带动性作用。本文以跨大气层飞行器总体设计及其优化方法为研究重点。通过对国外跨大气层飞行器总体方案的分析,参照美国X-34飞行器的气动布局和飞行任务,建立了一种跨大气层无人驾驶飞行器的基本方案,借助原苏联飞机总体设计方法和其它一些经验设计方法进行了总体分析和计算。研究了在总体设计中如何进行方案优化,将这些总体设计方法和优化方法加以集成,编制成FORTRAN程序。在此基础上,对基本方案的跨大气层飞行器进行了性能分析与计算以及优化,分析比较了不同优化方法的应用效果。通过分析计算证明,本文的总体设计和优化的方法能够取得良好的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 背景
• 1.1.1 跨大气层飞行器的技术特点
• 1.1.2 跨大气层飞行器的关键技术
• 1.2 跨大气层飞行器发展历程和现状
• 1.3 选题依据和主要研究内容
• 第二章 跨大气层飞行器初步总体方案的确定
• 2.1 总体优化设计在飞行器设计中的应用
• 2.2 跨大气层飞行器的飞行环境
• 2.2.1 大气层分层和物理特性
• 2.2.2 标准大气的基本物理参数
• 2.3 跨大气层飞行器的高超声速气动特性
• 2.4 跨大气层飞行器总体方案
• 2.4.1 几种常用的高超声速气动布局
• 2.4.2 本文的方案
• 第三章 跨大气层飞行器总体设计数学模型
• 3.1 几何外形
• 3.1.1 机翼几何参数
• 3.1.2 机身几何参数
• 3.1.3 平尾和垂尾几何参数
• 3.2 气动力分析
• 3.2.1 升力特性
• 3.2.2 阻力特性
• 3.2.3 全机焦点
• 3.2.4 全机重心位置、纵向力矩和平衡
• 3.3 发动机推力及燃料消耗率
• 3.3.1 火箭发动机的特点
• 3.3.2 推力和燃料消耗率
• 3.4 飞行性能
• 3.5 重量
• 第四章 优化理论在总体设计中的应用
• 4.1 总体优化设计的基本概念
• 4.1.1 设计变量与设计空间、真实值和标准值
• 4.1.2 设计约束
• 4.1.3 目标函数
• 4.2 飞行器总体设计优化方法
• 4.2.1 一种无约束的直接优化方法
• 4.2.2 一种带约束的直接优化方法
• 第五章 算例
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文