题目：乘波器气动外形优化设计

乘波器是1959年由Nonweiler[1]提出的一种新型飞行器，它是一种具有流线形外形，在设计点时整个前缘产生附体激波的高超声速飞行器。采用先有流场，然后再推导出外形的反设计方法。乘波器不同于常规飞行器，具有高升力、低阻力、高升阻比的优点，经过激波后的高压流动被限制在下表面，形成均匀的预压缩流场。这些优点使其成为很有应用前景的一体化吸气式高超声速飞行器的前体构型。这种由乘波器作为前体构型的类乘波构型飞行器可以作为单级入轨或双级入轨的航天运载器第一级载机、穿越大气层的可重复使用的高超声速飞行器、高超声速导弹、高超声速侦察机及高超声速战略机等。本文介绍了近几十年来乘波器的发展历史和方向，介绍了锥导乘波器的设计原理和步骤，编写了锥导乘波器的设计及优化程序。该程序可以计算设计点下乘波器的升力、阻力、升阻比、体积利用率(包括无粘计算结果和用参考温度法修正的粘性计算结果)，还可以根据要求实现乘波器的外形优化。使用MI-CFD软件平台对生成的乘波器外形进行数值模拟，对设计程序输出的结果与CFD计算结果进行了比较，验证本文提出的设计方法和研制的程序。在非设计状态下对乘波器进行数值模拟，研究了马赫数、攻角等因素对乘波器气动性能的影响。本文研究了激波锥角、柱面截取位置、前缘钝化对乘波器的气动性能的影响。本文还对后缘线为圆弧型和“W”型的两种乘波器外形进行了数值模拟，比较分析了它们的气动特性。本文参照美国乘波飞行器X43-A的立尾、平尾的设计，对所生成的锥导乘波器进行了V形立尾设计，计算分析了马赫数对立尾控制效率的影响。本文对设计状态下，不同激波锥角的乘波器外形进行了优化，并对无粘和粘性优化外形进行了比较。通过本文的研究，得出以下结论：本文提出的方法符合乘波器设计理论，研制的程序对乘波器气动性能的计算比较准确，能够以最大升阻比为优化目标，寻找到设计点下乘波器的最优气动外形。乘波器在设计点时，前缘激波基本贴附在下表面，在下表面激波后形成均匀的预压缩流场。无粘计算和粘性计算(用参考温度法修正)中，截取位置对乘波器气动性能的影响趋势不同，说明了对初始流场进行粘性修正的重要性。研究表明，乘波器的钝化半径对乘波器的气动性能影响很大，合理选择乘波器钝化半径，使之既能满足防热的要求又能具有较好的气动性能对于乘波器的工程实际应用非常重要。乘波器在非设计点时的数值模拟结果表明：较大马赫数范围内，乘波器的气动性能没有明显下降，说明乘波器可以在较大马赫数范围内飞行，并且具有较好的气动性能；在较大的正攻角范围内，乘波器的升阻比都保持在较高水平且变化缓和，说明它可以在大攻角下飞行，在较小攻角飞行时气动性能最好。本文在以最大升阻比为优化目标的优化计算中，给出了设计点下的最优乘波器外形，从计算结果上来看优化效果显著。