通用航空飛行器的參數(shù)化建模與多目標(biāo)設(shè)計優(yōu)化

徐小平，張?zhí)焯欤?洋

(1.國防科技大學(xué) 北京學(xué)科交叉中心，北京 100101；2.航天工程大學(xué) 宇航科學(xué)與技術(shù)系，北京 101400；3.國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，長沙 410073)

0 引 言

通用航空飛行器(Common Aero Vehicle，CAV)是一種采用通用導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)以及通用空氣動力學(xué)頭罩的機(jī)動再入飛行器，能夠裝載各種類型的戰(zhàn)斗部、傳感器或情報、監(jiān)視和偵察系統(tǒng)，并且能與多種發(fā)射系統(tǒng)匹配[1]。由CAV衍生出的高超聲速技術(shù)飛行器(Hypersonic Technology Vehicle, HTV)項目開展了多次飛行試驗，具有廣闊的發(fā)展前景[2]。早期，波音公司提出的基于雙錐構(gòu)型的先進(jìn)機(jī)動再入飛行器(Advanced Maneuvering Reentry Vehicle，AMaRV)是一種能夠直接用于發(fā)展CAV項目的飛行演示系統(tǒng)。同時，洛克希德·馬丁公司也發(fā)展了兩個與CAV直接相關(guān)的項目，其中高性能機(jī)動再入飛行器(High Performance Maneuvering Reentry Vehicle，HPMaRV)系統(tǒng)具有詳細(xì)的仿真和風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)。作為再入飛行器，采用雙錐構(gòu)型的AMaRV升阻比較小，被稱為低性能通用航空飛行器(Low-Performance Common Aero Vehicle，CAV-L)，而采用升力體構(gòu)型的HPMaRV升阻比較大，被稱為高性能通用航空飛行器(High-Performance Common Aero Vehicle，CAV-H)。盡管如此，CAV-H構(gòu)型的尖前緣在帶來大升阻比的同時，也對防熱系統(tǒng)提出巨大挑戰(zhàn)。使CAV在高超聲速再入環(huán)境下具有良好的空氣動力學(xué)性能且不被燒蝕成為一項重要課題[3]。

無論是升阻比還是加熱環(huán)境均與CAV的構(gòu)型密切相關(guān)，通過構(gòu)型的設(shè)計和優(yōu)化有望在任務(wù)要求和材料受熱極限的約束下發(fā)現(xiàn)可行方案。而對CAV構(gòu)型的優(yōu)化設(shè)計需要具備高保真度的參數(shù)化建模方法、性能評估方法和數(shù)值優(yōu)化方法。其中，參數(shù)化建模方法使設(shè)計者能夠?qū)?fù)雜的三維外形用簡單的數(shù)學(xué)參數(shù)進(jìn)行表示，實現(xiàn)對外形的精細(xì)控制[4-5]；性能評估方法能夠在已知構(gòu)型的基礎(chǔ)上通過計算或者實驗獲得目標(biāo)特性，如升阻比、容積率、熱流峰值等；數(shù)值優(yōu)化方法能夠通過尋優(yōu)，找到使目標(biāo)特性最符合預(yù)期的輸入?yún)?shù)設(shè)置。

氣動外形的設(shè)計與優(yōu)化一直是飛行器設(shè)計領(lǐng)域的熱點，大量的新式翼型、飛行器構(gòu)型在優(yōu)化中產(chǎn)生，使飛行器設(shè)計水平顯著提高。其中，三維類別/形狀轉(zhuǎn)換(Class/Shape Function Transformation，CST)建模[6]、三維B樣條[7-8]和自由網(wǎng)格變形方法(Free-Form Deformation，F(xiàn)FD)[9]作為應(yīng)用最為廣泛的參數(shù)化建模方法在氣動優(yōu)化過程中得到廣泛應(yīng)用。Chen等[10]在跨聲速機(jī)翼的流固耦合穩(wěn)定性優(yōu)化中采用CST參數(shù)化建模方法。Xia等[11]采用FFD參數(shù)化建模方法，結(jié)合改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法和徑向基函數(shù)對二維翼型和運(yùn)載火箭進(jìn)行氣動外形優(yōu)化。李治宇等[12]將構(gòu)型參數(shù)化、網(wǎng)格自動化及流場快速求解程序進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，發(fā)展了快速有效的氣動布局優(yōu)化設(shè)計方法, 并設(shè)計了新型高升阻比融合升力體氣動布局。

考慮到單純提高升阻比可能會給飛行器的結(jié)構(gòu)、容積和防熱等性能帶來新的問題，在氣動優(yōu)化過程中往往還要同時考慮其他設(shè)計目標(biāo)或約束。Zhang等[13]采用多目標(biāo)設(shè)計優(yōu)化的方法研究了高超聲速滑翔飛行器升阻比與容積率之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者難以同時達(dá)到最優(yōu)。Deng等[14]在進(jìn)行帶翼高超聲速飛行器的升阻比優(yōu)化時，考慮了飛行器的容積率和操穩(wěn)特性等條件帶來的約束。張龍龍等[15]基于CST參數(shù)化建模方法對翼身融合升力體構(gòu)型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計和多目標(biāo)優(yōu)化。Zuhal等[16]基于代理模型對翼型進(jìn)行多目標(biāo)氣動外形優(yōu)化，比較了不同加點方法對優(yōu)化效率提升的影響。

盡管氣動優(yōu)化理論已經(jīng)得到廣泛關(guān)注和蓬勃發(fā)展，然而類似CAV這樣的三維曲面構(gòu)型，其參數(shù)化建模的精度與參數(shù)數(shù)量之間的矛盾依然存在，高超聲速條件下其升阻比與熱流峰值之間的矛盾仍然難以調(diào)和，優(yōu)化設(shè)計精度和效率還需進(jìn)一步提升。本文提出了針對不同類型CAV構(gòu)型需靈活選擇三維參數(shù)化方法的理念，為CAV的高效參數(shù)化建模提供參考；通過多目標(biāo)設(shè)計優(yōu)化，獲得以CAV構(gòu)型升阻比、容積率和峰值熱流為目標(biāo)的三維非劣解前緣，并對其進(jìn)行深入分析，提高了CAV構(gòu)型設(shè)計水平。

1 CAV構(gòu)型參數(shù)化建模方法

1.1 傳統(tǒng)參數(shù)建模

已知CAV-L為雙錐構(gòu)型，其長度處于107～144 in之間，尾部直徑為36 in。此類旋轉(zhuǎn)體構(gòu)型只需對二維輪廓進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，并結(jié)合雙錐構(gòu)型的特點，即可實現(xiàn)用少量參數(shù)實現(xiàn)三維構(gòu)型的參數(shù)化建模，如圖1所示。

圖1 CAV-L構(gòu)型設(shè)計參數(shù)示意圖

可見，對于此類簡單的雙錐構(gòu)型，只需5個參數(shù)即可確定其旋轉(zhuǎn)體外形，分別為頭部鈍化半徑R，一級頭錐角度θ，一級頭錐長度Ln，總長度L和尾部直徑D，其他特征參數(shù)如二級圓臺長度、錐角等均可由上述參數(shù)的確定而得到。由于尾部直徑D給定，鈍化半徑可根據(jù)防熱需求另行確定且對構(gòu)型整體形狀和性能影響較小，因此，該構(gòu)型的實際有效控制變量分別為L，Ln和θ。依據(jù)公開資料，設(shè)定L=144 in，Ln=50 in，θ=12°。

同時，給定鈍化半徑R=2 in，則可得CAV-L的三維構(gòu)型。波音公司設(shè)計的實驗構(gòu)型是在旋轉(zhuǎn)體構(gòu)型的基礎(chǔ)上通過安裝氣動控制舵面以及穩(wěn)定裝置來滿足飛行需求。本節(jié)則通過削平底面并切割的方式得到控制舵，并在構(gòu)型兩側(cè)對稱安裝固定控制面，得到的三維概念構(gòu)型如圖2所示。該構(gòu)型與公開資料中的CAV-L構(gòu)型高度相似。

圖2 CAV-L構(gòu)型3D模型概念圖

1.2 三維CST曲面參數(shù)化建模方法

CAV-H為升力體構(gòu)型，雖然具有面對稱的特點，但其上下表面均為曲面，難以用傳統(tǒng)的參數(shù)化方法進(jìn)行表示，因此，需要采用新型三維曲面參數(shù)化方法進(jìn)行建模，并為構(gòu)型優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

類別/形狀轉(zhuǎn)換(CST)參數(shù)化方法是一種兩層曲線參數(shù)化方法。該方法的出發(fā)點是建立一個具有目標(biāo)曲線基礎(chǔ)形狀的類函數(shù)，然后建立一個形狀函數(shù)對類函數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步修飾。CST方法的表達(dá)式為

(1)

在二維CST方法的基礎(chǔ)上，首先建立橫、縱坐標(biāo)之間的CST函數(shù)關(guān)系，然后引入第三維坐標(biāo)，建立其與橫、縱坐標(biāo)之間的三維關(guān)系，從而能夠?qū)θS曲面進(jìn)行參數(shù)化建模。三維參數(shù)化方法的表達(dá)式為

(2)

ΔεM, N(φ,η)

(3)

式(3)建立了Z方向坐標(biāo)與X和Y方向坐標(biāo)之間的關(guān)系，其中X方向坐標(biāo)歸一化后用φ表示，Y方向坐標(biāo)歸一化后用η表示，兩者的類函數(shù)和形狀函數(shù)組合構(gòu)成了曲面表達(dá)式；nx和ny分別為兩個Bernstein方程的階數(shù)。由類函數(shù)和形狀函數(shù)表達(dá)式可知，在X和Y分別取極值時類函數(shù)和形狀函數(shù)均等于0，即曲面邊線均處于Z=0的平面上，為此，三維方程引入ΔεM,N(φ,η)來定義曲面邊緣所處的空間位置。ΔεM,N(φ,η)定義了曲面邊緣在X-Z平面和Y-Z平面上投影的形狀，具有多種形式，仍然可以采用標(biāo)準(zhǔn)二維CST方法表示，即

(4)

用該三維CST方法設(shè)計的類CAV-H構(gòu)型如圖3所示。該方法的詳細(xì)介紹可參見文獻(xiàn)[13]。

圖3 采用三維CST參數(shù)化方法設(shè)計的CAV-H構(gòu)型

1.3 FFD自由網(wǎng)格變形參數(shù)化建模方法

FFD自由網(wǎng)格變形方法通過Bernstein函數(shù)，將構(gòu)型表面所有點的空間坐標(biāo)映射到控制網(wǎng)格的節(jié)點坐標(biāo)，從而實現(xiàn)目標(biāo)的參數(shù)化。Bernstein函數(shù)在[0，1]空間內(nèi)的分布如圖4所示，其中黑色虛線代表各項和的分布，為一條恒等于1的直線，即Bernstein系數(shù)均取1時所有輸入點得到的輸出均為1；此外，當(dāng)各項系數(shù)均取對應(yīng)項編號與階數(shù)的比值(例如第i項系數(shù)取i/l，l為Bernstein函數(shù)的階數(shù))時，其所得輸出等于輸入值，如圖4中的紅色斜線所示。通過調(diào)整各系數(shù)的取值，即可對應(yīng)調(diào)整函數(shù)輸出，若將歸一化的控制網(wǎng)格節(jié)點坐標(biāo)直接作為Bernstein系數(shù)，則當(dāng)其均勻分布時，構(gòu)型形狀不變，而當(dāng)控制節(jié)點坐標(biāo)改變時，則會對應(yīng)改變Bernstein系數(shù)，從而改變構(gòu)型形狀。

圖4 Bernstein函數(shù)各項及其組合項在[0, 1]空間的分布

綜上所述，可引出FFD方法中控制節(jié)點坐標(biāo)Qi, j, k對設(shè)計對象任一點坐標(biāo)(x,y,z)的控制函數(shù)Pffd：

(5)

(6)

式中：i=0, 1, …,l;j=0, 1, …,m;k=0, 1, …,n;l，m，n為x，y，z三個方向上的Bernstein函數(shù)階數(shù)，為便于計算，將控制點坐標(biāo)和控制體坐標(biāo)均認(rèn)為是歸一化后的坐標(biāo)。

2 性能計算方法

2.1 高超聲速氣動性能工程估算方法

高超聲速工程估算方法是一種快速估算構(gòu)型高超聲速氣動性能的方法。該方法認(rèn)為在高超聲速條件下，物體迎風(fēng)表面的壓力系數(shù)Cp與表面法線和來流之間夾角正弦值的二次方正相關(guān)，計算方程如下：

Cp=Cpmaxsin2δ

(7)

式中：Cpmax為相關(guān)系數(shù)，該值可采用正激波駐點后的壓力系數(shù)值。

(8)

式中：p0，p∞，ρ∞和V∞分別為自由來流的總壓、靜壓、密度和速度。由于

(9)

且

(10)

從而得到

(11)

對于飛行器背風(fēng)面則可采用Prandtl-Meyer膨脹波理論進(jìn)行求解。已知當(dāng)來流馬赫數(shù)大于1時，經(jīng)過鈍角物面的來流速度增加、壓力降低，形成膨脹波，Prandtl-Meyer膨脹波理論則定義了偏轉(zhuǎn)角度與來流馬赫數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，即

(12)

根據(jù)壓力系數(shù)與流動轉(zhuǎn)折角之間的關(guān)系：

(13)

則可計算得到背風(fēng)面物面的壓力系數(shù)。

由于飛行器為連續(xù)曲面構(gòu)型，而高超聲速工程估算方法反映的是局部來流迎角與當(dāng)?shù)貕毫ο禂?shù)之間的關(guān)系，因此，為計算構(gòu)型整體受力，需要采用面元法將構(gòu)型表面分成多個微小面元，分別計算壓力系數(shù)分布后求和得到構(gòu)型整體受力。

面元的劃分有多種方式，最常見的是三角面元和四邊形面元劃分方法，如圖5所示。

圖5 兩種面元劃分方式及其與來流之間的關(guān)系

面元劃分相當(dāng)于將物體表面離散化，對每個面元的氣動受力求解前需要先求出當(dāng)前面元的單位法向量ni和面元面積si。面元法向量用于求解面元迎風(fēng)角，面積用于計算面元所受來流壓力。

對于四邊形面元，面元法向量求解方式為

(14)

四邊形面元的面積有多種求法，其中一種為

(15)

四邊形相鄰面元之間的拓?fù)潢P(guān)系相比于三角面元更加具有規(guī)律性，因此，采用四邊形面元劃分方法，如圖6所示。

圖6 CAV-L表面的四邊形網(wǎng)格劃分

2.2 容積率計算方法

容積率(ηv)是反映飛行器有效載荷裝填能力的參數(shù)，定義如下：

(16)

式中：V和S分別代表飛行器的體積和表面積。容積率越大，表明同樣容積的飛行器更適合用于裝填有效載荷。換言之，同等表面積的飛行器，容積率越大，其內(nèi)部容積也越大。例如，長方體的容積率小于同等體積的正方體，同樣表面積的細(xì)長體容納有效載荷的能力不如球體。

2.3 熱流估算方法

高超聲速條件下的氣動加熱現(xiàn)象不可忽略，為避免飛行器被燒蝕，需要通過構(gòu)型設(shè)計使飛行器表面加熱約束在材料耐受范圍以內(nèi)。已知飛行器的駐點處于弓形激波正后方，其氣動加熱現(xiàn)象最為顯著，因此，采用工程算法估算駐點熱流量qs，即

(17)

式中：Rs為駐點處的曲率半徑；ρ0為海平面大氣密度；C為固定常數(shù)，取值為2.146×10-4J·m-4.5·s2[17]?？梢娫趤砹鳁l件一定的前提下，駐點曲率越大，熱流量越大。

3 優(yōu)化方法

3.1 基于遺傳算法的單目標(biāo)優(yōu)化方法

遺傳算法通過模擬自然界中“優(yōu)勝劣汰”的生存法則來使優(yōu)化問題收斂到最優(yōu)結(jié)果附近。算法首先在參數(shù)設(shè)計空間內(nèi)隨機(jī)抽取一部分樣本點，稱為種群；然后計算種群內(nèi)每個個體的響應(yīng)結(jié)果(即適應(yīng)度)，并根據(jù)適應(yīng)度大小對種群進(jìn)行排序，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生下一組種群并按此過程迭代循環(huán)直到滿足迭代終止條件。在此過程中用于產(chǎn)生下一組種群(子代)的當(dāng)前種群被稱為親代；在親代中選擇優(yōu)勝個體并淘汰劣勢個體的過程稱為選擇；由優(yōu)勝個體產(chǎn)生子代的過程稱為遺傳。遺傳過程有三種形式：第一種是部分優(yōu)勝個體(精英)直接進(jìn)入子代；第二種是優(yōu)勝個體間通過交換步驟將彼此的信息切斷后互相再組合生成新的個體(又稱交叉)；第三種則是在親代信息基礎(chǔ)上隨機(jī)引入變異。迭代終止條件包括最大迭代代數(shù)、迭代時間、適應(yīng)度函數(shù)值迭代殘差值等?？梢?，遺傳算法中的種群規(guī)模、交叉系數(shù)、變異概率和收斂條件等均會對收斂結(jié)果產(chǎn)生影響。

3.2 基于NSGA-II的多目標(biāo)優(yōu)化方法

當(dāng)優(yōu)化問題出現(xiàn)多個目標(biāo)時則需要采用多目標(biāo)優(yōu)化算法，例如本文中不僅希望CAV構(gòu)型的升阻比大，還希望其容積率大、最大熱流量小。由于不同目標(biāo)之間可能相互排斥，即一個目標(biāo)向好的方向發(fā)展時，另外的目標(biāo)反而變得更壞，此時需要引入非劣解的概念。非劣解表示不存在所有目標(biāo)均優(yōu)于該解的任何其他解。多目標(biāo)優(yōu)化的目的則是在約束范圍內(nèi)收斂到非劣解集。NSGA-II算法是基于遺傳算法發(fā)展而來的多目標(biāo)優(yōu)化算法，該算法中親代生成子代的過程仍然按照遺傳算法所需的選擇、交叉、變異等操作。在產(chǎn)生子代后要將親代和子代的結(jié)果按照是否為非支配解進(jìn)行排序，將所有當(dāng)前的非劣解集篩選出記為Rank0，然后將剔除Rank0后的剩余結(jié)果再次排序，篩選出剩余解中的非劣解集并記為Rank1，以此類推?？梢奟ank值越小表明當(dāng)前解集中解的質(zhì)量越高。在標(biāo)記結(jié)束后按Rank值從小到大選擇子代，當(dāng)達(dá)到某一Rank值時出現(xiàn)添加前子代數(shù)量小于預(yù)定值而添加后子代數(shù)量多于預(yù)定值，則在該Rank解集中進(jìn)行擁擠度排序，并按照擁擠度從小到大的順序補(bǔ)足子代所需的個體數(shù)。按照此過程循環(huán)迭代，直到滿足收斂條件，最終可得到多輪迭代后的非劣解集。在該解集的基礎(chǔ)上，設(shè)計者可以按需求任意選擇可行解，所選的解盡管不能保證滿足所有目標(biāo)最優(yōu)，但不會存在全面優(yōu)于該解的其他解。

4 結(jié)果與分析

4.1 優(yōu)化問題定義

根據(jù)航程公式，升阻比越大的武器打擊范圍也越大，因此，本文首先對CAV-L構(gòu)型和CAV-H構(gòu)型開展單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化目標(biāo)是攻角[-5°, 30°]范圍內(nèi)的最大高超聲速升阻比。其中，CAV-L構(gòu)型采用傳統(tǒng)參數(shù)化建模方法，優(yōu)化變量包括L，Ln和θ，優(yōu)化問題表述為

maxL/Dmax

s.t. 107 in≤L≤144 in

15 in≤Ln≤60 in

5°≤θ≤20°

(18)

CAV-H構(gòu)型采用三維CST參數(shù)化方法，優(yōu)化變量包括Hl，Hu，N1u，M1u，M1l，T1u，T1l，其初始值的集合用V0表示，V0=[0.1，0.25，0.8，1，1，1.5，1]，優(yōu)化過程中優(yōu)化變量取值上限為1.5V0，取值下限為0.5V0，本次優(yōu)化不考慮其他約束。

CAV-L和CAV-H構(gòu)型的氣動性能計算均在馬赫數(shù)15、高度25 km的條件下，優(yōu)化算法均采用遺傳算法，最大迭代代數(shù)為100，每代交叉概率為0.8，變異概率為0.2，收斂精度為10-6。由于CAV-L的優(yōu)化變量較少，故種群規(guī)模為40；CAV-H的優(yōu)化變量較多，種群規(guī)模為50。

由于構(gòu)型容積率和駐點區(qū)熱流密度同樣是衡量飛行器性能的重要指標(biāo)，因此，進(jìn)一步在CAV-L構(gòu)型優(yōu)化的基礎(chǔ)上，開展以高超聲速條件下升阻比最大、構(gòu)型容積率最大、駐點區(qū)熱流密度最小為優(yōu)化目標(biāo)的多目標(biāo)設(shè)計優(yōu)化。采用FFD參數(shù)化建模方法，以FFD控制點位置作為設(shè)計變量，將所有優(yōu)化目標(biāo)轉(zhuǎn)化為成本型指標(biāo)，產(chǎn)生的優(yōu)化問題描述如下：

min-L/Dmax,-ηv,qs

s.t.DVmin≤DV≤DVmax

(19)

多目標(biāo)優(yōu)化采用NSGA-II優(yōu)化算法，設(shè)置算法中的交叉概率為0.7、變異概率為0.4、種群規(guī)模為300、最大迭代次數(shù)為40次。

4.2 以升阻比為目標(biāo)的單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

4.2.1 CAV-L構(gòu)型優(yōu)化結(jié)果

CAV-L原始構(gòu)型最大升阻比為2.36，處于攻角為10°的飛行條件下。

優(yōu)化過程中種群最優(yōu)升阻比和平均升阻比的變化曲線如圖7所示，迭代100代后優(yōu)化過程收斂，種群升阻比收斂到約2.69。

圖7 CAV-L升阻比優(yōu)化收斂曲線

圖8所示為優(yōu)化前后構(gòu)型的升阻比曲線對比，優(yōu)化后的最大升阻比出現(xiàn)在更小的攻角條件下，升阻比大小提高了12.7%。優(yōu)化后的設(shè)計參數(shù)取值為L=144 in，Ln=40 in，θ=8.66°。

圖8 CAV-L構(gòu)型優(yōu)化前后高超聲速升阻比曲線對比

優(yōu)化結(jié)果表明，總長度L的增加是造成最大升阻比增大的主要原因。該參數(shù)組合控制下的CAV-L構(gòu)型如圖9所示，相比于圖2，優(yōu)化后的構(gòu)型更加細(xì)長。

圖9 優(yōu)化后的CAV-L構(gòu)型

4.2.2 CAV-H構(gòu)型優(yōu)化結(jié)果

CAV-H構(gòu)型的優(yōu)化過程在達(dá)到最大迭代次數(shù)時停止，升阻比最優(yōu)值與平均值趨于相等且收斂，升阻比最終收斂值為9.824，如圖10所示。

圖10 CAV-H升阻比優(yōu)化收斂曲線

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，升阻比達(dá)到最優(yōu)值時的設(shè)計變量Vopt=[0.05，0.125，0.4，1.088 7，1.09，2.245，1.193 9]，前3個設(shè)計變量均趨于設(shè)計范圍的最小值，第6個設(shè)計變量趨于設(shè)計范圍最大值，其余3個設(shè)計變量處于最大值和最小值之間，即最大升阻比的提高主要是通過Hl，Hu，N1u的減小以及T1l的增大實現(xiàn)的。根據(jù)以上設(shè)計變量所得類CAV-H構(gòu)型如圖11所示。

圖11 優(yōu)化后的CAV-H構(gòu)型

圖11所示的飛行器構(gòu)型具有較大的升阻比，其整體呈現(xiàn)扁平狀，相比于圖3展示的參考構(gòu)型，其厚度更薄，頭部更寬。兩者的升阻比曲線對比如圖12所示。從圖11～12可以看出，優(yōu)化后的CAV-H構(gòu)型過于扁平，很難在實際再入過程中承受氣動加熱，且其扁平的形狀也對內(nèi)部部件的安裝提出巨大挑戰(zhàn)。同時，盡管其最大升阻比較大，但隨著攻角偏離最大升阻比出現(xiàn)的條件(2°)，其升阻比值將快速下降，使得實際飛行過程的魯棒性較差，抗干擾能力較弱。

圖12 CAV-H構(gòu)型優(yōu)化前后高超聲速升阻比曲線對比

綜上所述，僅以升阻比為構(gòu)型優(yōu)化目標(biāo)難以得到符合工程實際需求的構(gòu)型，需要采用多目標(biāo)優(yōu)化的方法對多個設(shè)計目標(biāo)變量進(jìn)行優(yōu)化。

4.3 基于NSGA-II的CAV多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

基于CAV-L單目標(biāo)優(yōu)化構(gòu)型所構(gòu)建的幾何外形FFD參數(shù)化設(shè)計如圖13所示，考慮幾何約束設(shè)計要求的面對稱性和底部平整性，在變形過程中令控制點保持xoz平面對稱、底部位置的控制點在x方向上不移動。

圖13 初始FFD參數(shù)化設(shè)計

多目標(biāo)優(yōu)化所得非劣解集(又稱Pareto前緣)如圖14所示。優(yōu)化結(jié)果表明，相比于統(tǒng)計得到的Pareto前緣解集，初始外形(2.692 8，0.581 1，6.748 5)所處位置是明顯的離群點，且存在較多解方案在3個指標(biāo)均優(yōu)于初始外形，說明算法驅(qū)動設(shè)計空間尋找到了綜合性能良好的優(yōu)化解集。根據(jù)Pareto前緣解集的散點分布情況來看，3個優(yōu)化目標(biāo)之中升阻比指標(biāo)在數(shù)值上的提升較為明顯，較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性存在于升阻比與容積率之間、升阻比與熱流密度(效益)之間，說明在當(dāng)前設(shè)計方法下，位于Pareto前緣的上述兩組指標(biāo)對存在著較強(qiáng)的矛盾。由于最大升阻比大的構(gòu)型一般為細(xì)長體，而細(xì)長體構(gòu)型的容積率往往會比較小，另外熱流密度的減小往往需要增大構(gòu)型最小曲率半徑，從而增大阻力，造成3個優(yōu)化目標(biāo)無法同時達(dá)到最優(yōu)解。

圖14 CAV構(gòu)型多目標(biāo)優(yōu)化所得Pareto前緣解集

各優(yōu)化目標(biāo)上的優(yōu)秀外形、指標(biāo)性能及FFD設(shè)計布局如圖15所示。Pareto解集中的最大升阻比能夠達(dá)到2.973，分析升阻比最優(yōu)的外形，F(xiàn)FD布局直觀展示了相對于初始外形的變形特征，根據(jù)FFD控制點的位移，其優(yōu)化邏輯是令頭部附近靠近下方的控制點前移，通過拉伸飛行器機(jī)身下前部以擴(kuò)大升力面，同時令頭部附近側(cè)面控制點向內(nèi)收縮，以減小外形阻力。

圖15 各優(yōu)化目標(biāo)上的優(yōu)秀外形及其FFD設(shè)計

容積率最優(yōu)的外形是初始外形的支配解(即3個指標(biāo)均更優(yōu))，其優(yōu)化邏輯是令頭部附近控制點向后收縮，減小外形較細(xì)(橫截面面積較小)幾何區(qū)域的表面積，從而提高體積效率；另外，令機(jī)身區(qū)域的控制點變寬，從而直接增加飛行器機(jī)身區(qū)域的體積。但上述現(xiàn)象與升阻比的優(yōu)化邏輯顯然存在矛盾。

分析針對熱流密度目標(biāo)的優(yōu)化方式，該目標(biāo)主要與局部外形特征相關(guān)。FFD結(jié)構(gòu)顯示其頭部附近控制點形成“凹陷狀”布局，使外形頭部幾何沿流線方向鈍化，該行為與升阻比優(yōu)化邏輯存在一定的沖突。但若對頭部外形進(jìn)行更加細(xì)致的FFD參數(shù)化設(shè)計，分別增加對駐點區(qū)與升力面的變形自由度，則有可能緩解當(dāng)前優(yōu)化水平的升阻比-熱流密度指標(biāo)對的沖突現(xiàn)象。

綜上所述，在設(shè)計范圍內(nèi)，相較于初始外形，得到的Pareto解集升阻比指標(biāo)中位數(shù)提升5.2%、容積率中位數(shù)提升1.4%、熱流密度中位數(shù)減小6.6%，該優(yōu)化過程達(dá)到了預(yù)期目的，Pareto前緣上的點可為工程中具體構(gòu)型的選擇提供參考依據(jù)。在后續(xù)優(yōu)化中，基于FFD參數(shù)化設(shè)計，主要考慮進(jìn)一步細(xì)化對外形頭部變形自由度的構(gòu)造，局部弱化升阻比與其他目標(biāo)之間的相關(guān)性。

5 結(jié) 論

本文針對兩類CAV構(gòu)型研究了三維參數(shù)化建模方法在航空飛行器曲面建模上的應(yīng)用前景，指出CAV-L和CAV-H的參數(shù)化建模流程，開展了以高超聲速條件下升阻比最大為目標(biāo)的構(gòu)型優(yōu)化，探索了以升阻比最大、容積率最大以及熱流量最小為目標(biāo)的構(gòu)型多目標(biāo)設(shè)計優(yōu)化方法，并得出以下結(jié)論：

(1)需根據(jù)構(gòu)型設(shè)計要求和典型特征選擇合適的三維參數(shù)化建模方法，為提高優(yōu)化效率和結(jié)果可靠性，應(yīng)盡量減少建模參數(shù)數(shù)量；

(2)最大升阻比大的CAV構(gòu)型往往比較細(xì)長，其升阻比相對攻角的魯棒性變差；

(3)最大升阻比、容積率和最大熱流量三個指標(biāo)無法同時達(dá)到最優(yōu)，僅以升阻比為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計必然犧牲其他性能指標(biāo)。

本文存在的不足之處包括：尚未進(jìn)一步研究如何剔除對設(shè)計目標(biāo)影響較小的設(shè)計變量，以進(jìn)一步提高優(yōu)化效率；采用的工程估算方法相對粗糙，仍需進(jìn)一步完善；多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果尚待進(jìn)一步挖掘分析。