高超声速再入弹头驻点热流密度优化

论文摘要

气动加热是飞行器再入大气层过程中的必然现象,为给技术提供必要的基础理论和数据,研究气动加热至关重要。由于弹头再入过程中,巨大的动能转化使得激波层内气体温度的急剧升高,弹头驻点的热流密度也急剧上升并达到最高,气动加热现象严重,必须考虑热防护问题。因此对于弹头再入过程中驻点热流密度的优化研究显得尤其重要。本文研究的主要内容包括：本文建立了高超声速飞行器再入的环境模型,动力学模型,建立弹道方程。并且介绍了再入弹头的热环境,和弹头驻点热流密度公式,基于Matlab软件平台上simulink功能,利用四阶Runge-Kutta法求解弹道的微分方程,并作出二维弹道曲线。在计算弹道的过程中,利用Lees公式计算出弹头驻点热流密度。并得出驻点热流密度曲线。介绍了驻点热流密度优化所采用的遗传算法,利用此方法,通过改变弹头再入攻角来改变热流密度公式中的来流密度ρ∞和来流速度v∞的两个决策变量,使驻点热流密度的最大值达到最小,并且基于Matlab软件平台,利用遗传算法法编写了一套热流密度优化程序。在所建立数学模型的基础上,以驻点热流密度的最大值为优化目标,应用上述优化程序对所设计的高超声速再入弹头进行全弹道优化仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 再入气动加热的基本概念
• 1.2 再入轨道
• 1.3 研究气动加热的重要性
• 1.4 气动加热研究现状
• 1.5 本论文的主要工作
• 第2章 弹头再入段运动方程及环境参数
• 2.1 标准大气参数
• 2.2 再入弹道运动方程
• 2.2.1 再入段弹头运动方程
• 2.2.2 再入初始条件
• 2.3 利用RUNGE-KUTTA法求解弹道微分方程
• 2.3.1 Runge-Kutta方法的基本思想
• 2.3.2 求解弹道微分方程
• 2.4 MATLAB简介
• 2.4.1 MATLAB的功能特点
• 2.4.2 Simulink的功能特点
• 2.4.3 Simulink建模仿真的基本过程
• 2.5 本章小结
• 第3章 弹头气动加热计算
• 3.1 高温空气的物性参数
• 3.2 再入弹头热环境
• 3.2.1 再入弹头热环境
• 3.2.2 驻点热流密度的预计
• 3.2.3 非驻点局部相似解
• 3.3 计算实例
• 3.4 本章小结
• 第4章 用遗传算法优化弹头驻点热流密度
• 4.1 遗传算法的简介
• 4.1.1 遗传算法的特点
• 4.1.2 遗传算法的应用
• 4.1.3 遗传算法的步骤
• 4.2 个体适应度评价
• 4.2.1 比例选择算子
• 4.2.2 单点交叉算子
• 4.2.3 基本位变异算子
• 4.3 遗传算法的运算过程
• 4.4 本章小结
• 第5章 弹头再入段热流密度分析
• 5.1 优化驻点热流密度
• 5.2 优化结果分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 攻读硕士学位期间参与科研项目
• 致谢