面向运载火箭栅格舵的最优操纵效率特征与宽速域气动优化设计方法

doi:10.7527/S1000-6893.2024.29887

流体力学与飞行力学

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面向运载火箭栅格舵的最优操纵效率特征与宽速域气动优化设计方法

刘明奇¹, 韩忠华¹, 杜涛²(), 许晨舟¹, 曾涵¹, 张科施¹, 宋文萍¹

^1.西北工业大学航空学院飞行器基础布局全国重点实验室，西安 710072
^2.北京宇航系统工程研究所，北京 100076

收稿日期:2023-11-18 修回日期:2024-01-16 接受日期:2024-03-21 出版日期:2024-10-25 发布日期:2024-04-10
通讯作者: 杜涛 E-mail:dutao_calt@sohu.com
基金资助:
国家重点研发计划(2023YFB3002800);陕西高校青年创新团队

Optimal control efficiency characteristics and wide-speed-range aerodynamic design optimization method for grid fins of launch vehicle

Mingqi LIU¹, Zhonghua HAN¹, Tao DU²(), Chenzhou XU¹, Han ZENG¹, Keshi ZHANG¹, Wenping SONG¹

^1.National Key Laboratory of Aircraft Configuration Design，School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^2.Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering. Beijing 100076，China

Received:2023-11-18 Revised:2024-01-16 Accepted:2024-03-21 Online:2024-10-25 Published:2024-04-10
Contact: Tao DU E-mail:dutao_calt@sohu.com
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2023YFB3002800);The Youth Innovation Team of Shaanxi Universities

摘要/Abstract

摘要：

宽速域栅格舵设计是目前运载火箭子级重复使用的关键技术之一。栅格舵在火箭一子级返回飞行过程中经历亚、跨、超声速等多个速域，在不同速域下表现出截然不同的操纵效率和气动特性，甚至相互矛盾，使得高效率的栅格舵气动设计面临极大挑战。针对上述问题，应用基于机器学习代理模型的气动优化设计方法，分别开展了栅格舵在亚、跨、超声速典型状态的气动优化设计，获得了单个速域下的最优气动外形，并分析揭示了不同速域下栅格舵最优操纵效率的流动机制，为后续设计提供指导。由于实现最优操纵效率的流动机制不同，造成了不同速域优化解之间存在矛盾。针对上述矛盾，开展了宽速域栅格舵多目标气动优化设计，兼顾考虑亚、跨、超声速3个速域的影响，优化结果表明显著改善了栅格舵宽速域气动性能，提高了栅格舵操纵效率。

关键词: 栅格舵, 宽速域, 气动优化设计, 代理模型, 计算流体力学

Abstract:

Wide-speed-range grid fins design is one of the key technologies for re-use of sub-stages of launch vehicle. In the course of a substage return flight， grid fins experience subsonic， transonic， supersonic， and other speed regimes. In different speed regimes， the control efficiency and aerodynamic characteristics of grid fins are completely different， and even contradictory， which makes the aerodynamic design of grid fins with high efficiency face great challenges. To address the above problems， this paper applies the aerodynamic design optimization method based on machine learning surrogate model to carry out aerodynamic optimization design of grid fins in subsonic， transonic and supersonic typical states respectively， and obtains the optimal aerodynamic shape in different speed regimes. The flow mechanism of the optimal control efficiency of the grid fins in different speed regimes is analyzed and revealed， which can provide guidance for the subsequent design. Because of the different optimization mechanisms of different speed regimes， there are contradictions between the optimal designs of different speed regimes. In view of the above contradictions， the multi-objective aerodynamic design optimization of wide-speed-range grid fins is carried out， taking into account the influence of sub， tran and supersonic speed regimes. The optimization results significantly improve the wide-speed-range aerodynamic performance of grid fins and improve the optimal control efficiency of grid fins.

Key words: grid fins, wide speed range, aerodynamic design optimization, surrogate model, computational fluid dynamics

中图分类号:

V211.3

刘明奇, 韩忠华, 杜涛, 许晨舟, 曾涵, 张科施, 宋文萍. 面向运载火箭栅格舵的最优操纵效率特征与宽速域气动优化设计方法[J]. 航空学报, 2024, 45(20): 129887.

Mingqi LIU, Zhonghua HAN, Tao DU, Chenzhou XU, Han ZENG, Keshi ZHANG, Wenping SONG. Optimal control efficiency characteristics and wide-speed-range aerodynamic design optimization method for grid fins of launch vehicle[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(20): 129887.

图/表 46

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

表1

栅格舵气动优化设计变量的取值范围

变量类型	$W / C$	$φ / (°)$	$θ / (°)$
上界	3.3	30	45
下界	0.4	0	0

表1

图13

图14

表2

亚声速状态下优化前后栅格舵设计变量对比

外形	$W / C$	$φ / (°)$	$θ / (°)$	$C L$
基准外形	0.67	0	0	0.221 5
优化外形	1.52	25.8	34.8	0.380 8

表2

图15

图16

图17

图18

表3

跨声速状态下优化前后栅格舵设计变量对比

外形	$W / C$	$φ / (°)$	$θ / (°)$	$C L$
基准外形	0.67	0	0	0.177 9
优化外形	2.94	1.8	6.7	0.483 2

表3

图19

图20

图21

图22

图23

图24

表4

超声速状态下优化前后设计变量对比

外形	$W / C$	$φ / (°)$	$θ / (°)$	$C L$
基准外形	0.67	0	0	0.197 0
优化外形	0.75	3.0	34.0	0.241 4

表4

图25

图26

表5

不同速域下最优解升力系数的代理模型预测值与CFD计算值对比

速域	$C L, s u r r o g a t e m o d e l$	$C L, C F D$	误差/%
亚声速（ $M a = 0.4$ ）	0.380 5	0.380 8	0.080 2
跨声速（ $M a = 0.9$ ）	0.483 0	0.483 2	0.054 3
超声速（ $M a = 3.0$ ）	0.241 3	0.241 4	0.010 8

表5

表6

不同速域最优外形在亚、跨、超声速下的升力系数对比

外形	$C L$
外形	Ma=0.4	Ma=0.9	Ma=3.0
基准外形	0.221 5	0.177 9	0.197 0
亚声速优化外形	0.380 8	0.358 9	0.208 3
跨声速优化外形	0.202 1	0.483 2	0.166 5
超声速优化外形	0.248 5	0.201 4	0.241 4

表6

图27

图28

图29

表7

宽速域条件下基准外形与优化外形1设计变量对比

外形	$W / C$	$φ / (°)$	$θ / (°)$
基准外形	0.67	0	0
优化外形1	1.715	10.09	41.0

表7

表8

宽速域条件下基准外形与优化外形1升力系数对比

速域	模型	$C L$	变化/%
亚声速（ $M a = 0.4$ ）	基准外形	0.221 5	+55.9
亚声速（ $M a = 0.4$ ）	优化外形1	0.345 3	+55.9
跨声速（ $M a = 0.9$ ）	基准外形	0.177 9	+139.6
跨声速（ $M a = 0.9$ ）	优化外形1	0.426 2	+139.6
超声速（ $M a = 3.0$ ）	基准外形	0.197 0	-6.5
超声速（ $M a = 3.0$ ）	优化外形1	0.184 3	-6.5

表8

图30

图31

图32

图33

图34

表9

宽速域条件下基准外形与优化外形2设计变量对比

外形	$W / C$	$φ / (°)$	$θ / (°)$
基准外形	0.67	0	0
优化外形2	1.65	29.8	24.7

表9

表10

宽速域条件下基准外形与优化外形2升力系数对比

速域	外形	$C L$	变化/%
亚声速（ $M a = 0.4$ ）	基准外形	0.221 5	+61.1
亚声速（ $M a = 0.4$ ）	优化外形2	0.356 8	+61.1
跨声速（ $M a = 0.9$ ）	基准外形	0.177 9	+108.3
跨声速（ $M a = 0.9$ ）	优化外形2	0.370 5	+108.3
超声速（ $M a = 3.0$ ）	基准外形	0.197 0	+16.8
超声速（ $M a = 3.0$ ）	优化外形2	0.230 1	+16.8

表10

图35

图36

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面向运载火箭栅格舵的最优操纵效率特征与宽速域气动优化设计方法

Optimal control efficiency characteristics and wide-speed-range aerodynamic design optimization method for grid fins of launch vehicle

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