一种飞行器标模外形及其设计方法与流程

本发明涉及一种飞行器标模外形及其设计方法，特别是涉及一种用于绕流流动机理和控制研究的标模外形及设计方法，属于飞行器外形设计。

背景技术：

1、飞行器在大气中飞行时与周围空气发生相互作用，飞行器周围的空气绕流会对飞行器带来阻力、传热、噪声等方面的影响，对这些影响进行深入研究并准确预测，是飞行器安全飞行的重要保障。但是飞行器绕流流动现象和机理十分复杂，仅依靠单一的研究手段对特定的外形开展研究，难以取得对流动机理的一般性认识，也难以克服工程实际中遇到的困难，因此需要设计特定的标模飞行器外形，供理论分析、数值模拟和试验等多种手段开展综合研究。标模外形的设计还需要解决以下问题：(1)标模外形需具备真实飞行器的气动布局特征，才可以反映出主要的流体特征；(2)为了便于数值模拟、试验等不同手段的研究，标模外形还需要对实际几何特征进行简化；(3)为了便于不同研究者开展研究，消除外形上可能带来的误差，标模最好采用数学上可以解析表达的外形。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：提供一种飞行器标模外形及其设计方法，这种标模外形具备了真实飞行器的典型气动布局特征，并在外形设计上进行了简化，同时采用了解析式进行数学表达，便于不同研究群体开展不同手段的研究。

2、本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

3、一种飞行器标模外形，包括椭球头、椭锥身及控制面，其中椭球头设置在椭锥身的前端，所述控制面包括第一控制面、第二控制面和第三控制面，所述椭锥身整体为曲面构型，靠近后端的上表面形成平面截面，所述第二控制面设置在所述平面区域上，所述第一控制面和第三控制面对称设置在椭锥身靠近后端的两侧；所述椭锥身的后端面以及垂直于轴线的截面为椭圆曲线，且沿着轴线从前端至后端的椭圆曲线的面积逐渐增大，每个椭圆曲线上半部分的高度大于下半部分的高度。

4、在上述飞行器标模外形中，所述控制面为平面和圆柱面组合构型。

5、在上述飞行器标模外形中，所述第一控制面、第二控制面和第三控制面与平面截面的角度范围为0°～90°。

6、在上述飞行器标模外形中，建立直角坐标系oxyz，具体如下：设椭球头(1)的顶点为原点o，椭球头(1)的轴线为x轴，方向由原点o指向后端，y轴过原点o平行于椭球头长轴，方向由右向左，右手法则确定z轴，方向由下向上。

7、在上述飞行器标模外形中，所述椭球头由上半椭球与下半椭球组合而成，所述上半椭球表面点的坐标表达式满足：

8、

9、所述下半椭球表面点的坐标表达式满足：

10、

11、其中，x、y、z为直角坐标系下头部点的坐标，θ为点的周向角；xh为给定截面的x轴坐标，a为头部椭球x方向上的半轴长，b为头部椭球y方向上的半轴长，c1、c2分别为头部上半椭球、下半椭球z方向上的半轴长。

12、在上述飞行器标模外形中，所述椭锥身后端面上半部分型线的椭圆曲面表达式为：

13、

14、所述椭锥身后端面下半部分型线的椭圆曲面表达式为：

15、

16、其中，w为飞行器外形的底部半宽度，l为飞行器的长度，θ为点的周向角，b为头部椭球y方向上的半轴长，c1、c2分别为头部上半椭球、下半椭球z方向上的半轴长。

17、在上述飞行器标模外形中，所述椭锥身上表面点的坐标表达式为：

18、

19、所述椭锥身下表面点的坐标表达式为：

20、

21、在上述飞行器标模外形中，所述第二控制面设置在所述平面区域上，平面区域上坐标点表达式为：

22、

23、其中xi为截面起始坐标，ys、zs为x＝xs处的截面起始坐标，l1、l2为x＝xs处的截面宽度，γ为截面偏斜角。

24、在上述飞行器标模外形中，所述控制面由平面和圆柱面组合而成，控制面上的平面的坐标点表达式为：

25、

26、其中，xj为平面起始坐标，yr、zr为x＝xr处的截面起始坐标，l3、l4为x＝xr处的平面宽度，β为平面偏斜角；

27、所述控制面上圆柱的坐标点表示式为：

28、

29、其中，yc、zc为x＝xr处圆柱截面圆心坐标，r为截面圆半径，α为坐标点方位角。

30、一种飞行器标模外形设计方法，包括：

31、(1)、根据飞行器的尺寸确定飞行器头部椭球头的表达式；

32、(2)、根据飞行器的尺寸确定飞行器后端面型线的表达式；

33、(3)、根据飞行器的尺寸确定飞行器椭锥身的表达式；

34、(4)、根据飞行器的控制要求确定各个控制面的表达式；

35、(5)、根据步骤(1)～(4)中的表达式完成飞行器标模外形设计。

36、本发明与现有技术相比至少包含如下有益效果：

37、(1)、本发明实施例提供的飞行器标模外形及设计方法，外形的各个部件都可由数学表达式解析描述，主要外形特征可由几何参数控制，外形包括椭球头、上下组合的椭锥面和尾部的控制面；外形左右对称，头部椭球与尾部椭圆曲线截面通过相切可展曲面光滑连接形成身部，通过在尾部截取局部平面设置控制面；本发明提供了用于绕流流动机理和控制机理研究的标模外形设计方法，利用该方法可设计得到具备真实飞行器典型特征的简化气动外形，可满足数值计算、试验等对气动外形的简化和流动机理研究的需求。

38、(2)、本发明实施例提供的标模外形具备真实飞行器气动布局的典型特征，同时包括头部、身部主体和控制面都采用数学表达式解析描述，可满足不同研究手段对外形的简化要求；

39、(3)、本发明实施例提供的标模外形具有左右对称、上下不对称的特点，左右对称的设计有利于开展研究结果的验证，上下不对称的设计有利于进行不同曲率、有无控制面的结果对比。

技术特征：

1.一种飞行器标模外形，其特征在于，包括椭球头(1)、椭锥身(2)及控制面，其中椭球头(1)设置在椭锥身(2)的前端，所述控制面包括第一控制面(4)、第二控制面(5)和第三控制面(6)，所述椭锥身(2)整体为曲面构型，靠近后端的上表面形成平面截面(3)，所述第二控制面(5)设置在所述平面区域(3)上，所述第一控制面(4)和第三控制面(6)对称设置在椭锥身(2)靠近后端的两侧；所述椭锥身(2)的后端面以及垂直于轴线的截面为椭圆曲线，且沿着轴线从前端至后端的椭圆曲线的面积逐渐增大，每个椭圆曲线上半部分的高度大于下半部分的高度。

2.根据权利要求1所述的飞行器标模外形，其特征在于，所述控制面为平面和圆柱面组合构型。

3.根据权利要求1所述的飞行器标模外形，其特征在于，所述第一控制面(4)、第二控制面(5)和第三控制面(6)与平面截面(3)的角度范围为0°～90°。

4.根据权利要求1所述的飞行器标模外形，其特征在于，建立直角坐标系oxyz，具体如下：设椭球头(1)的顶点为原点o，椭球头(1)的轴线为x轴，方向由原点o指向后端，y轴过原点o平行于椭球头长轴，方向由右向左，右手法则确定z轴，方向由下向上。

5.根据权利要求4所述的飞行器标模外形，其特征在于，所述椭球头(1)由上半椭球与下半椭球组合而成，所述上半椭球表面点的坐标表达式满足：

6.根据权利要求4所述的飞行器标模外形，其特征在于，所述椭锥身(2)后端面上半部分型线的椭圆曲面表达式为：

7.根据权利要求4所述的飞行器标模外形，其特征在于，所述椭锥身(2)上表面点的坐标表达式为：

8.根据权利要求4所述的飞行器标模外形，其特征在于，所述第二控制面(5)设置在所述平面区域(3)上，平面区域(3)上坐标点表达式为：

9.根据权利要求8所述的飞行器标模外形，其特征在于，所述控制面由平面和圆柱面组合而成，控制面上的平面的坐标点表达式为：

10.一种飞行器标模外形设计方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明涉及一种飞行器标模外形及其设计方法，属于飞行器外形设计技术领域，本发明标模外形具备真实飞行器气动布局的典型特征，同时包括头部、身部主体和控制面都采用数学表达式解析描述，可满足不同研究手段对外形的简化要求；标模外形具有左右对称、上下不对称的特点，左右对称的设计有利于开展研究结果的验证，上下不对称的设计有利于进行不同曲率、有无控制面的结果对比；本发明还提供了用于绕流流动机理和控制机理研究的标模外形设计方法，利用该方法可设计得到具备真实飞行器典型特征的简化气动外形，可满足数值计算、试验等对气动外形的简化和流动机理研究的需求。

技术研发人员：刘智勇,马乐,禹旻,朱德华,艾邦成
受保护的技术使用者：中国航天空气动力技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29