一种宽速域乘波三角翼气动布局设计

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28441

流体力学与飞行力学

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一种宽速域乘波三角翼气动布局设计

陈树生¹, 张兆康¹, 李金平²(), 冯聪¹, 高正红¹

^1.西北工业大学航空学院，西安 710072
^2.空军工程大学航空动力系统与等离子体技术全国重点实验室，西安 710038

收稿日期:2022-12-29 修回日期:2023-01-17 接受日期:2023-02-08 出版日期:2023-02-13 发布日期:2023-02-10
通讯作者: 李金平 E-mail:lijinping@buaa.edu.cn
基金资助:
中国科协青年人才托举工程(2022QNRC001)

Wide-speed aerodynamic layout adopting waverider-delta wing

Shusheng CHEN¹, Zhaokang ZHANG¹, Jinping LI²(), Cong FENG¹, Zhenghong GAO¹

^1.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^2.National Key Lab of Aerospace Power System and Plasma Technology，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China

Received:2022-12-29 Revised:2023-01-17 Accepted:2023-02-08 Online:2023-02-13 Published:2023-02-10
Contact: Jinping LI E-mail:lijinping@buaa.edu.cn
Supported by:
Young Elite Scientists Sponsorship Program by CAST(2022QNRC001)

摘要/Abstract

摘要：

针对宽速域高超声速飞行器亚/跨/超/高超声速气动性能难以兼顾的问题，发展出一种融合乘波前体和大后掠三角翼的宽速域高超声速气动布局。乘波前体设计基于锥导乘波理论，设计马赫数为Ma=5；小展弦比大后掠机翼采用基于代理模型优化设计的宽速域翼型。数值模拟结果表明：亚声速状态下，该布局能够在大迎角飞行时利用涡升力改善气动性能，升阻比可以维持在8以上；超声速下该宽速域气动布局的三角翼双“S”构型下表面使气动布局尾缘附近获得额外加载，高超声速下乘波体前缘的激波特性提升了气动布局的升阻性能，超/高超声速速域内升阻比不低于4.5，巡航性能良好。此外，对该宽速域乘波三角翼气动布局的纵向静稳定性进行了分析，该气动布局整体气动中心位置靠后。

关键词: 宽速域, 高超声速, 乘波体, 三角翼, 涡升力

Abstract:

To overcome the difficulty in inclusive consideration of the subsonic/transonic/supersonic/hypersonic aerodynamic performance of hypersonic vehicles in wide-speed range， we propose a wide-speed-range hypersonic aerodynamic configuration with a waverider forebody and a large swept delta wing. The design of the waverider forebody is based on the conical flow theory. The design Mach number is 5. The wide-speed range airfoil based on the surrogate model optimization design is arranged on a large swept wing with a small aspect ratio. The result shows that in subsonic flight， the configuration can improve aerodynamic performance using vortex lift at high angles of attack， with the lift-drag ratio maintained above 8. In supersonic flight， the double “S” shaped lower surface of the delta wing enables additional loading near the trailing edge of the aerodynamic configuration. In hypersonic flight， the shock wave characteristics at the leading edge of the waverider improve the lift-drag performance. The lift-drag ratio in the supersonic/hypersonic speed range is no smaller than 4.5 with good cruise performance. In addition， the longitudinal static stability in the wide-speed range is analyzed， showing that the aerodynamic center of the aerodynamic configuration is near the tailing edge.

Key words: wide-speed range, hypersonic, waverider, delta wing, vortex lift

中图分类号:

V211.3

陈树生, 张兆康, 李金平, 冯聪, 高正红. 一种宽速域乘波三角翼气动布局设计[J]. 航空学报, 2023, 44(23): 128441-128441.

Shusheng CHEN, Zhaokang ZHANG, Jinping LI, Cong FENG, Zhenghong GAO. Wide-speed aerodynamic layout adopting waverider-delta wing[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(23): 128441-128441.

图/表 25

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参考文献 25

1	NONWEILER T R F. Aerodynamic problems of manned space vehicles［J］. The Journal of the Royal Aeronautical Society， 1959， 63（585）： 521-528.
2	JONES J G， MOORE K C， PIKE J， et al. A method for designing lifting configurations for high supersonic speeds， using axisymmetric flow fields［J］. Ingenieur-Archiv， 1968， 37（1）： 56-72.
3	王晓燕. 基于三维前缘线的乘波体设计方法研究［D］. 长沙：国防科技大学， 2018.
	WANG X Y. Research on design method of waverider based on three-dimensional leading edge line［D］.Changsha： National University of Defense Technology， 2018 （in Chinese）.
4	段焰辉，范召林，吴文华. 定后掠角密切锥乘波体的生成和设计方法［J］. 航空学报， 2016， 37（10）： 3023-3034.
	DUAN Y H， FAN Z L， WU W H. Generation and design method of compact cone waverider with fixed sweep angle［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2016， 37（10）： 3023-3034 （in Chinese）.
5	HE X， RASMUSSEN M L. Computational analysis of off-design waveriders［J］. Journal of Aircraft， 1994， 31（2）： 345-353.
6	THSTROHMEYER E， NICKEL H， RADESPIEL R. Aerodynamic off-design behavior of integrated waveriders from take-off up to hypersonic flight［C］∥International Aerospace Planes and Hypersonics Technologies. Reston： AIAA， 1995： 6091.
7	SHI Y J， TSAI B J， MILES J， et al. Cone-derived waverider flowfield simulation including turbulence and off-design conditions［C］∥12th Applied Aerodynamics Conference. Reston： AIAA， 1994： 1822.
8	STARKEY R P， LEWIS M J. Analytical off-design lift-to-drag-ratio analysis for hypersonic waveriders［J］. Journal of Spacecraft and Rockets， 2000， 37（5）： 684-691.
9	LI S B， LUO S B， HUANG W， et al. Influence of the connection section on the aerodynamic performance of the tandem waverider in a wide-speed range［J］. Aerospace Science and Technology， 2013， 30（1）： 50-65.
10	LI S B， HUANG W， WANG Z G， et al. Design and aerodynamic investigation of a parallel vehicle on a wide-speed range［J］. Science China Information Sciences， 2014， 57（12）： 1-10.
11	LI S B， WANG Z G， HUANG W， et al. Design and investigation on variable Mach number waverider for a wide-speed range［J］. Aerospace Science and Technology， 2018， 76： 291-302.
12	王发民，丁海河，雷麦芳. 乘波布局飞行器宽速域气动特性与研究［J］. 中国科学（E辑：技术科学）， 2009， 39（11）： 1828-1835.
	WANG F M， DING H H， LEI M F. Aerodynamic characteristics and research of waverider aircraft in wide speed range［J］. Scientia Sinica （Technologica）， 2009， 39（11）： 1828-1835 （in Chinese）.
13	RODI P. Geometrical relationships for osculating cones and osculating flowfield waveriders［C］∥Proceedings of the 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Reston： AIAA， 2011： AIAA2011-1188.
14	RODI P. Vortex lift waverider configurations［C］∥Proceedings of the 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Reston： AIAA， 2012： AIAA2012-1238.
15	刘传振，刘强，白鹏，等. 涡波效应宽速域气动外形设计［J］. 航空学报， 2018， 39（7）： 121824.
	LIU C Z， LIU Q， BAI P， et al. Aerodynamic shape design of vortex wave effect in wide speed range［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2018， 39（7）： 121824 （in Chinese）.
16	刘传振，白鹏，陈冰雁，等. 定平面形状乘波体及设计变量影响分析［J］. 宇航学报， 2017， 38（5）： 451-458.
	LIU C Z， BAI P， CHEN B Y， et al. Analysis of the influence of fixed plane shape waverider and design variables［J］. Journal of Astronautics， 2017， 38（5）： 451-458 （in Chinese）.
17	ZHAO Z T， HUANG W， YAN B B， et al. Design and high speed aerodynamic performance analysis of vortex lift waverider with a wide-speed range［J］. Acta Astronautica， 2018， 151： 848-863.
18	谢赞，周灿灿，赵振涛，等. 宽速域飞行器发展及研究现状综述［J］. 空天技术， 2022（4）： 28-39， 86.
	XIE Z， ZHOU C C， ZHAO Z T， et al. Overview of development and research status of wide-speed aircraft［J］. Aerospace Technology， 2022（4）： 28-39， 86 （in Chinese）.
19	张阳，韩忠华，周正，等. 面向高超声速飞行器的宽速域翼型优化设计［J］. 空气动力学学报， 2021， 39（6）： 111-127.
	ZHANG Y， HAN Z H， ZHOU Z， et al. Optimal design of airfoil for hypersonic vehicle in wide speed range［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2021， 39（6）： 111-127 （in Chinese）.
20	孙祥程，韩忠华，柳斐，等. 高超声速飞行器宽速域翼型/机翼设计与分析［J］. 航空学报， 2018， 39（6）： 121737.
	SUN X C， HAN Z H， LIU F， et al. Design and analysis of airfoil/wing of hypersonic vehicle in wide speed range［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2018， 39（6）： 121737 （in Chinese）.
21	FENG C， CHEN S S， YUAN W， et al. A wide-speed-range aerodynamic configuration by adopting wave-riding-strake wing［J］. Acta Astronautica， 2023， 202： 442-452.
22	方孝健. 翼身融合造型方法研究与实现［D］. 武汉：华中科技大学， 2015.
	FANG X J. Research and implementation of wing-body fusion modeling method［D］.Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2015 （in Chinese）.
23	刘衍旭，陈树生，冯聪，等. 高超声速滑翔飞行器锐边化气动隐身一体化设计［J］. 航空学报， 2023， 44（16）： 128093.
	LIU Yanxu， CHEN Shusheng， FENG Cong， et al. Sharp edge integrated aerodynamic-stealth design for hypersonic glide vehicle［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（16）： 128093 （in Chinese）.
24	CHEN S S， CAI F J， XIANG X H， et al. A low-diffusion robust flux splitting scheme towards wide-ranging Mach number flows［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2021， 34（5）： 628-641.
25	CHEN S S， LI J P， LI Z， et al. Anti-dissipation pressure correction under low Mach numbers for Godunov-type schemes［J］. Journal of Computational Physics， 2022， 456： 111027.

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马赫数	翼型	C_L	C_D	K
0.8	NASA_SC（2）_0404	0.641 003 0	0.015 086 1	42.489 643
0.8	宽速域优化翼型	0.868 432 3	0.015 825 4	54.878 107

4.0	NASA_SC（2）_0404	0.071 808 0	0.022 099 0	3.249 319
4.0	宽速域优化翼型	0.068 432 3	0.016 473 8	4.154 008

参数	取值
长、宽、高/m	8.65、7.74、0.75
宽速域机翼根梢比	4.3
前缘后掠角/（°）	45.0~76.8
垂尾高度/m	1.6
设计马赫数Ma	5
锥形流场半锥角/（°）	15
前缘钝化半径/mm	3

参数	稠密网格（参考）	中等网格		稀疏网格
参数	稠密网格（参考）	取值	误差/%	取值	误差/%
C_L	0.173 426	0.174 861	0.821	0.179 236	3.242
C_D	0.044 088	0.044 309	0.499	0.045 353	2.789
C_m	-0.230 822	-0.232 816	0.856	-0.238 322	3.147

高度/km	温度/K	压强/Pa	马赫数Ma
0	288.150	101 325.00	0.5
4	262.166	61 660.40	0.8
5	255.676	54 048.30	1.0
6	249.187	47 217.60	2.0
9	229.733	30 800.70	3.0
13	216.650	16 579.60	4.0
17	216.650	8 849.73	5.0
21	217.581	4 728.94	6.0
25	221.552	2 549.22	7.0

[1]	陈浩宇, 王彬文, 宋巧治, 李晓东. 热颤振地面模拟试验技术[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 227295-227295.
[2]	常思源, 肖尧, 李广利, 田中伟, 张凯凯, 崔凯. 翼反角对高压捕获翼构型高超气动特性的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 127349-127349.
[3]	马印锴, 李祝飞, 黄琪, 杨基明. 宽速域翼尖涡及其与斜激波相互作用[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 38-50.
[4]	刘宏康, 陈坚强, 向星皓, 赵雅甜. 改进k-ω-γ转捩模式对不同雷诺数下HIAD的转捩预测[J]. 航空学报, 2023, 44(6): 126868-126868.
[5]	杨国涛, 岳振江, 刘莉. 基于自适应采样的高超声速飞行器气动热全局快速预示[J]. 航空学报, 2023, 44(6): 127391-127391.
[6]	马崇立, 刘景源. 网格对高超声速钝头体表面热流数值模拟结果的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 126710-126710.
[7]	王梓伊, 张伟伟, 刘磊, 杨肖峰. 适用于复杂流动的热气动弹性降阶建模方法[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126807-126807.
[8]	韩荣, 刘伟, 杨小亮. 高超声速飞行器自适应减阻盘动态减阻机理[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126633-126633.
[9]	刘超宇, 屈峰, 孙迪, 刘传振, 钱战森, 白俊强. 基于离散伴随的高超声速密切锥乘波体气动优化设计[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126664-126664.
[10]	孙士珺, 李晓龙, 刘艳明, 王建华, 王松涛. 宽速域来流对超声通流风扇叶型气动性能的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(21): 528523-528523.
[11]	闫循良, 王培臣, 王舒眉, 杨宇轩, 王宽. 基于混沌多项式的RBCC飞行器上升段鲁棒轨迹快速优化[J]. 航空学报, 2023, 44(21): 528349-528349.
[12]	樊宇翔, 赵瑞, 左政玄, 杨光, 李宇. 气体引射效应对壁面热流和摩擦阻力的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(21): 528587-528587.
[13]	王一帆, 邹正平, 陈懋章. 高超声速强预冷发动机热力循环研究进展[J]. 航空学报, 2023, 44(21): 529343-529343.
[14]	王晓峰, 屈峰, 付俊杰, 王泽宇, 刘超宇, 白俊强. 基于离散伴随的高超内转式进气道气动优化设计[J]. 航空学报, 2023, 44(19): 128352-128352.
[15]	王粤, 汪运鹏, 姜宗林. 激波风洞两级入轨飞行器纵向级间分离试验技术[J]. 航空学报, 2023, 44(17): 128126-128126.

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