高超声速飞行器机体-发动机一体化设计
作者：罗世彬
出版时间：2018年版
内容简介
《高超声速飞行器机体/发动机一体化设计及多学科设计优化》以高超声速飞行器为研究对象，采用理论分析、数值仿真和试验验证等多种手段，以及多学科设计优化方法，对高超声速飞行器机体/发动机一体化和总体的设计与优化技术进行了全面深入的研究，取得了一系列研究成果。
《高超声速飞行器机体/发动机一体化设计及多学科设计优化》系统地研究并发展了以超燃冲压发动机为动力的高超声速飞行器一体化设计方法；深入分析了高超声速飞行器的设计结构矩阵和学科间的耦合量传递关系，并构建了高超声速飞行器一体化设计框架和一体化设计优化模型；建立并应用机体/发动机一体化高超声速飞行器冷却分析模型，对等高度飞行和等动压飞行条件下各受热部件的冷却流量需求进行了分析；建立了基于参数方法的高超声速巡航飞行器MDO模型以及基于优化方法的高超声速巡航飞行器MDO模型。
目录
目录
前言
第1章 绪言 1
1.1 超燃冲压发动机 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究简史 1
1.2 高超声速飞行器设计技术 10
1.2.1 高超声速飞行器的学科特点 10
1.2.2 高超声速飞行器的研究进展 11
1.3 多学科设计优化对高超声速飞行器的重要性 22
1.3.1 高超声速飞行器现有设计方法的缺陷 22
1.3.2 高超声速飞行器MDO的引入 23
1.3.3 高超声速飞行器MDO的特殊性 25
1.3.4 高超声速飞行器MDO研究的构想 27
1.4 本书主要内容 29
第2章 高超声速飞行器一体化设计 32
2.1 高超声速飞行器一体化设计方法 32
2.2 高超声速飞行器一体化设计框架 34
2.2.1 学科间的耦合关系 35
2.2.2 一体化设计框架 36
2.3 高超声速飞行器的学科分析模型 38
2.3.1 外形参数模型 38
2.3.2 推进系统性能分析模型 39
2.3.3 气动力计算模型 46
2.3.4 气动热/热计算模型 48
2.3.5 冷却性能分析模型 49
2.3.6 质量估算模型 50
2.3.7 全寿命周期费用估算模型 50
2.3.8 弹道与控制系统模型 51
2.4 高超声速飞行器一体化设计优化模型 51
2.4.1 优化目标函数 52
2.4.2 参考任务及基准外形 52
2.4.3 约束条件 52
2.4.4 设计变量 52
2.5 本章小结 53
第3章 高超声速飞行器机体/发动机一体化性能分析 54
3.1 机体/发动机一体化性能分析方法 54
3.1.1 基准分析外形 54
3.1.2 一体化性能指标 55
3.1.3 算力体系 55
3.1.4 一体化性能分析程序集成 64
3.2 机体/发动机一体化构型性能对比 65
3.2.1 机体/发动机一体化构型的定义 65
3.2.2 机体/发动机一体化构型性能对比 67
3.2.3 机体/发动机一体化构型的选择 88
3.2.4 机体/发动机一体化构型性能数据库 89
3.3 设计与非设计状态机体/发动机一体化性能对比 90
3.4 机体/发动机一体化设计参数灵敏度分析 91
3.4.1 设计参数 91
3.4.2 设计参数灵敏度分析方法 91
3.4.3 设计参数取值域的界定方法 92
3.4.4 结果分析 92
3.5 机体/发动机一体化性能实验研究 95
3.5.1 实验模型 95
3.5.2 实验设备 96
3.5.3 实验结果 97
3.6 本章小结 98
第4章 机体/发动机一体化部件优化设计研究 100
4.1 多目标遗传算法 100
4.1.1 多目标优化概述 100
4.1.2 多目标优化方法 101
4.1.3 并行多目标混合遗传算法 103
4.2 超燃冲压发动机进气道多目标优化设计 107
4.2.1 设计模型 107
4.2.2 优化模型 108
4.2.3 结果分析 109
4.3 超燃冲压发动机尾喷管多目标优化设计 114
4.3.1 设计模型 114
4.3.2 优化模型 115
4.3.3 结果分析 117
4.4 超燃冲压发动机燃烧室单目标优化设计 122
4.4.1 设计模型 122
4.4.2 优化模型 122
4.4.3 结果分析 123
4.5 本章小结 125
第5章 机体/发动机一体化高超声速飞行器冷却性能分析 127
5.1 气动加热部件冷却分析 127
5.1.1 气动加热冷却面积 127
5.1.2 冷却分析计算条件 129
5.1.3 等高度飞行时气动加热部件的冷却分析 130
5.1.4 等动压飞行时气动加热部件的冷却分析 131
5.2 发动机流道冷却分析 133
5.2.1 超燃燃烧室壁面冷却面积 133
5.2.2 超燃燃烧室壁面热流密度 134
5.2.3 冷却分析的计算条件 137
5.2.4 等高度飞行时燃烧室壁面的冷却分析 138
5.2.5 等动压飞行时燃烧室壁面的冷却分析 143
5.3 机体/发动机一体化冷却分析 144
5.3.1 等高度飞行时机体/发动机一体化冷却分析 145
5.3.2 等动压飞行时机体/发动机一体化冷却分析 146
5.3.3 巡航高度对冷却流量的影响 147
5.3.4 飞行动压对冷却流量的影响 149
5.4 本章小结 152
第6章 机体一体化超燃冲压发动机系统方案分析 154
6.1 系统总体方案 155
6.1.1 总体构想 155
6.1.2 综合比冲 157
6.1.3 系统参数 162
6.1.4 系统平衡 162
6.2 部件设计分析 163
6.2.1 部件构造方法 163
6.2.2 超燃冲压发动机的流道设计 164
6.3 系统参数的平衡分析 167
6.3.1 系统参数的选择 167
6.3.2 富燃燃气发生器循环方案参数的平衡分析 169
6.3.3 富燃分级燃烧循环方案参数的平衡分析 171
6.4 系统循环方案的比较 173
6.4.1 质量 173
6.4.2 推力/推重比 174
6.4.3 燃料比冲 176
6.4.4 推进剂比冲 177
6.4.5 综合比冲 177
6.5 本章小结 178
第7章 多学科设计优化方法及在高超声速飞行器中的应用 180
7.1 参数化设计方法 180
7.1.1 响应面方法 182
7.1.2 试验设计方法 183
7.1.3 变复杂度建模 184
7.1.4 并行计算 185
7.1.5 多方法并联协作优化方法 186
7.2 对优化方法的要求 190
7.3 多学科设计优化模型及流程 191
7.3.1 参考任务和基准外形 191
7.3.2 学科分析模型 192
7.3.3 多学科设计优化模型 193
7.3.4 多学科设计优化流程及软件实现 194
7.4 多学科设计优化结果与分析 196
7.5 本章小结 200
参考文献 201
附录A 机体一体化超燃冲压发动机质量估算模型 219
A.1 质量部件的划分 219
A.2 流道部件质量模型 219
A.2.1 参考量的定义 219
A.2.2 进气道质量模型 220
A.2.3 含冷却通道壁面流道质量模型 221
A.2.4 隔离段质量模型 223
A.2.5 燃烧室质量模型 224
A.2.6 支板质量模型 224
A.2.7 尾喷管质量模型 225
A.2.8 流道质量部件总质量模型 226
附录B 高超声速飞行器巡航段初始质量与起飞质量的关系式 227
后记 229
