一種超聲速飛行器低音爆氣動布局優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于飛行器領(lǐng)域，特別涉及一種超聲速飛行器低音爆氣動布局優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高音爆水平是制約超聲速運(yùn)輸機(jī)廣泛投入民用航空市場的瓶頸之一。一架在 16000米高空以兩倍聲速飛行的協(xié)和客機(jī)產(chǎn)生的音爆為133分貝，而現(xiàn)役民用客機(jī)起飛進(jìn)場 噪聲只有90分貝左右。高音爆水平直接導(dǎo)致了協(xié)和號飛機(jī)被禁止跨大陸超聲速飛行，這極 大地影響了超聲速客機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。工業(yè)界對于下一代超聲速運(yùn)輸機(jī)提出的噪聲要求是70分 貝以下，與常規(guī)飛機(jī)的噪聲水平相近。因此降低音爆水平是下一代超聲速運(yùn)輸機(jī)研制過程 中亟待解決的關(guān)鍵問題之一。
[0003] 目前對超聲速飛行器低音爆布局設(shè)計(jì)普遍是以基于經(jīng)典超聲速線化理論的音爆 最小化理論為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。該理論是一種反設(shè)計(jì)方法，通過設(shè)計(jì)音爆過壓分布來獲得飛行器 等效面積分布。超聲速飛行器的音爆問題是一個(gè)涉及飛機(jī)布局設(shè)計(jì)、空氣動力學(xué)和聲學(xué)等 多個(gè)學(xué)科的復(fù)雜研究領(lǐng)域，采用音爆最小化理論獲得的飛行器布局只能滿足音爆最優(yōu)，不 能同時(shí)考慮氣動特性、飛行器總體布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面要求。此外，該理論只能獲得單設(shè) 計(jì)點(diǎn)音爆最優(yōu)布局，難以滿足多設(shè)計(jì)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求，因此在難以在飛行器布局設(shè)計(jì)中得到有 效應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的一個(gè)目的是解決至少上述問題或缺陷，并提供至少后面將說明的優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種超聲速飛行器低音爆氣動布局優(yōu)化方法，以飛 行器幾何布局參數(shù)為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，以飛行器氣動特性為優(yōu)化約束，將多個(gè)飛行狀態(tài)加權(quán) 音爆水平作為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，利用現(xiàn)代優(yōu)化算法對飛行器布局進(jìn)行多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化，獲 得滿足氣動特性和噪聲水平要求的低音爆氣動布局。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點(diǎn)，提供了一種超聲速飛行器低音爆氣 動布局優(yōu)化方法，包括：
[0007] -種超聲速飛行器低音爆氣動布局優(yōu)化方法，其特征在于，包括：
[0008] 步驟一、獲取構(gòu)建飛行器的各個(gè)部件的幾何布局信息表，并計(jì)算每個(gè)所述幾何分 布信息所對應(yīng)的飛行器的幾何參數(shù)和氣動參數(shù)值
[0009] 步驟二、預(yù)設(shè)所述待構(gòu)建飛行器的幾何參數(shù)閾值范圍和氣動力參數(shù)閾值范圍；選 取所述幾何參數(shù)符合所述幾何參數(shù)閾值范圍且所述氣動參數(shù)值符合所述氣動力參數(shù)閾值 范圍的幾何布局信息作為候選布局信息；
[0010] 步驟三、根據(jù)每個(gè)所述候選布局信息計(jì)算得到與其相對應(yīng)的飛行器在不同飛行條 件下的地面音爆的加權(quán)A計(jì)權(quán)聲級值；
[0011] 其中，最小的所述加權(quán)A計(jì)權(quán)聲級值所對應(yīng)的所述幾何布局信息即為飛行器的低 音爆氣動布局方案。從幾何布局信息表中選取符合飛行器氣動特性的幾何分布信息，再利 用選取出的幾何分布信息來計(jì)算與其相對應(yīng)的飛行器在不同飛行條件下的地面音爆的加 權(quán)A計(jì)權(quán)聲級，選取最小的加權(quán)A計(jì)權(quán)聲級所對應(yīng)的幾何分布信息作為飛行器的構(gòu)建方案， 利用該構(gòu)建方案構(gòu)建的飛行器達(dá)到同時(shí)滿足飛行器氣動特性和低噪音要求。
[0012] 優(yōu)選的是，所述的超聲速飛行器低音爆氣動布局優(yōu)化方法中，所述幾何布局信息 是指每個(gè)所述部件的幾何尺寸信息和各個(gè)所述部件在飛行器上的相對位置信息。利用幾何 布局信息表中的每個(gè)所述幾何布局信息可以得到整個(gè)飛行器的外部形態(tài)布局。
[0013] 優(yōu)選的是，所述的超聲速飛行器低音爆氣動布局優(yōu)化方法中，所述步驟三還包括， 在各個(gè)飛行條件下，計(jì)算每個(gè)所述候選布局信息所對應(yīng)的飛行器的A計(jì)權(quán)聲級;賦予各個(gè)飛 行條件一加權(quán)系數(shù)，得到該飛行器的加權(quán)A計(jì)權(quán)聲級。
[0014] 優(yōu)選的是，所述的超聲速飛行器低音爆氣動布局優(yōu)化方法中，所述A計(jì)權(quán)聲級的 計(jì)算過程為：
[0015] 計(jì)算在飛行器空中飛行過程中，以飛行器的η倍身長為半徑的空間范圍內(nèi)的近場 壓力：
[0018] 其中：以飛行器機(jī)身方向?yàn)閄軸，機(jī)尾方向?yàn)檎?，垂直于機(jī)身方向?yàn)棣摧S，以機(jī)身 上方為正向構(gòu)建坐標(biāo)軸;SP為所述空間范圍內(nèi)某點(diǎn)壓力ρ相對于無窮遠(yuǎn)處壓力 PQ的過壓值;y = χ-βΓ;
^為飛行馬赫數(shù)；γ為比熱比，x、y為該點(diǎn)在坐標(biāo)軸中X軸坐標(biāo)值和y軸 坐標(biāo)值，r為該點(diǎn)與所述飛行器的距離值;Ae為等效面積；
[0019] 通過對近場壓力進(jìn)行偏微分計(jì)算，獲得施加到地面的壓力信號：
[0024] λ? = Τι+ι-Τ?；
[0025] 其中，將地面壓力為離散分布，i和i+1分別表示地面壓力離散分布點(diǎn);nu表示壓力 信號波形斜率表示每個(gè)壓力信號持續(xù)的時(shí)間；TdPT 1+1表示地面的壓力信號施加到地面 的時(shí)間；Api表不壓力信號增強(qiáng)量;PQ和at)分別表不大氣密度值和聲速值;Cn表不壓力沿波 陣面的法向傳播速度;S為相鄰的四條壓力射線圍成的波陣面面積。
[0026] 將地面壓力信號進(jìn)行傅里葉變換得到窄帶壓力分布：
[0028] 其中，p(n)為某一時(shí)刻地面的壓力信號值;p(k)為頻率為K時(shí)所對應(yīng)的壓力值;1^為 數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)，取2的冪數(shù)。
[0029] 計(jì)算各頻率下的聲壓級：
[0031 ] SPL_A為音爆噪聲的A計(jì)權(quán)聲級，Ma^Cl^Hi表示飛行器的飛行狀態(tài)參數(shù)，Ma為馬赫 數(shù)，C1為升力系數(shù)，Η為飛行高度;為有效聲壓，prrf為參考聲壓，取2 X l(T5Pa.;
[0032] 再根據(jù)1/3倍頻帶濾波表，將窄帶聲壓級轉(zhuǎn)換至1/3倍頻程聲壓級;再根據(jù)A計(jì)權(quán)響 應(yīng)與頻率的關(guān)系計(jì)算得到A計(jì)權(quán)聲級。
[0033] 優(yōu)選的是，所述的超聲速飛行器低音爆氣動布局優(yōu)化方法中，當(dāng)所述飛行器為軸 對稱結(jié)構(gòu)時(shí)，I為馬赫錐與機(jī)身截面法向投影面積；
[0034] 當(dāng)所述飛行器為非對稱體，Ae包括兩部分：馬赫錐與機(jī)身截面法向投影面積和升 力分量ΑιΧχ，Θ);
[0035] Al(x，0)的計(jì)算公式為：
[0037] L( X，Θ)為X軸向位置Θ處單位長度的升力分量。
[0038]優(yōu)選的是，所述的超聲速飛行器低音爆氣動布局優(yōu)化方法中，所述步驟三中計(jì)算 各個(gè)飛行狀態(tài)加權(quán)系數(shù)計(jì)算加權(quán)A計(jì)權(quán)聲級，具體為：
[0040] 其中，ω i為各設(shè)計(jì)點(diǎn)的加權(quán)系數(shù)。
[0041] 優(yōu)選的是，所述的超聲速飛行器低音爆氣動布局優(yōu)化方法中，所述步驟二中所述 氣動特征符合氣動力特性約束條件時(shí)，為：
[0042] Faerodynamic ( Xk) ^ Raerodynamic j Xk^ Ω ；
[0043] 其中，xk外部形態(tài)數(shù)據(jù)，k為外部形態(tài)數(shù)據(jù)種類的個(gè)數(shù);Faercidy_ lc(xk)為外部形態(tài) 數(shù)據(jù)為Xk時(shí)飛行器的氣動特性;Raerodynami。為氣動力特性約束條件。
[0044]優(yōu)選的是，所述的超聲速飛行器低音爆氣動布局優(yōu)化方法中，所述氣動力參數(shù)閾 值范圍包括升阻比閾值范圍、失速攻角閾值范圍和力矩特性閾值范圍。
[0045]本發(fā)明的有益效果如下：
[0046] 1、所述的超聲速飛行器低音爆氣動布局優(yōu)化方法中，同時(shí)對超聲速飛行器氣動力 特性和音爆水平進(jìn)行優(yōu)化，獲得滿足氣動特性和噪聲水平要求的氣動布局。
[0047] 2、所述的超聲速飛行器低音爆氣動布局優(yōu)化方法中，可以同時(shí)對多個(gè)部件的幾何 布局信息進(jìn)行優(yōu)化，快速實(shí)現(xiàn)對多個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的低音爆優(yōu)化。
【附圖說明】
[0048] 圖1為本發(fā)明所述的超聲速飛行器低音爆氣動布局優(yōu)化方法的流程圖；
[0049] 圖2為本發(fā)明其中一個(gè)實(shí)施例所述的超聲速飛行器低音爆氣動布局優(yōu)化方法中超 聲速線化理論示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0050] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文 字能夠據(jù)以實(shí)施。
[0051] 本發(fā)明公開了一種超聲速飛行器低音爆氣動布局優(yōu)化方法，如圖1和圖2所示，該 方法至少包括：
[0052] 步驟一、獲取構(gòu)建飛行器的各個(gè)部件的幾何布局信息表，并計(jì)算每個(gè)所述幾何分 布信息所對應(yīng)的飛行器的幾何參數(shù)和氣動參數(shù)值;所述幾何布局信息是指每個(gè)所述部件的 幾何尺寸信息和各個(gè)所述部件在飛行器上的相對位置信息。
[0053] 步驟二、預(yù)設(shè)所述待構(gòu)建飛行器的幾何參數(shù)閾值范圍和氣動力參數(shù)閾值范圍；選 取所述幾何參數(shù)符合所述幾何參數(shù)閾值范圍且所述氣動參數(shù)值符合所述氣動力參數(shù)閾值 范圍的幾何布局信息作為候選布局信息；
[0054] 步驟三、
[0055] 3.1)在各個(gè)飛行條件下，計(jì)算每個(gè)所述候選布局信息所對應(yīng)的飛行器的A計(jì)權(quán)聲 級；
[0056