● 摘要
非对称膨胀喷管(SERN)由于方便进行飞行器/发动机一体化设计，因而成为一种研究较多的高超声速飞行器冲压发动机尾喷管构型。考虑到结构设计与配平控制对SERN长度的约束，最短长度喷管(MLN)是一种合适的喷管型面设计方法。推力是尾喷管的重要性能指标，许多研究采用诸如遗传算法(GA)等通用的寻优算法，在多个变量的全局空间内求解推力最大的最优喷管，但多变量全局寻优计算量很大，对特定问题的针对性不强。为了避免多变量全局寻优的繁巨计算，本文研究目标是找到一种简捷有效的尾喷管设计方法。
本文采用二维平面无粘带长度约束的非对称膨胀喷管作为研究对象，改进了特征线法的流场解算程序和遗传算法优化设计程序，并通过典型算例验证了以上程序。结合遗传算法的计算结果，本文分析了尾喷管的流场特性，以及构成喷管的各设计变量对喷管型面和推力的影响，为研究最优喷管变化规律提供参考。
通过分析单位长度微段的近壁流动，本文得到微段推力最大所需满足的角度判据，进而提出角度判据假设，假定最优喷管须满足的必要条件，提出搜索求解最优喷管的启发式规则。而满足角度判据假设的喷管，在直观上呈现出特定几何特征，通过将搜索最优喷管转换为追踪具有特定几何特征的喷管，可以有效缩小全局寻优空间的搜索范围。在以设计变量为坐标的寻优空间内，本文令约束长度为参变量，假设参变量由0到+∞存在一条连续的最优喷管路径，此路径点坐标所确定的喷管即为对应约束长度的最优喷管。通过追踪具有特定几何特征的喷管，本文描绘出最优路径，构建了最优喷管的设计方法，并与遗传算法结果对比验证了最优喷管设计法的可靠性。