一种高速飞行器概念设计阶段空重快速计算方法与流程

本发明提供了一种高速飞行器概念设计阶段空重快速计算方法，属于飞行器设计领域。

背景技术：

1、高超声速飞行器是指飞行速度超过5ma的飞行器，既可大大减少人员与货物跨洲运输时间，又可作为高超声速武器快速打击远距离目标，是航空航天领域当下和未来的研究热点。高超声速飞行器几何、气动、结构质量等学科之间相互紧耦合，存在复杂的非线性关系，传统航空航天飞行器的线性设计方法很难满足设计要求，因此，飞行器多学科优化设计方法被提出，在高超声速飞行器概念设计阶段就尽可能综合考虑飞行器几何、气动、结构质量等诸多学科的整体性能。

2、高速飞行器的空重是重要的总体指标，是飞行器起飞总质量的主要组成部分，是飞行器弹道设计和发动机设计的重要输入，高速飞行器空重计算依赖于几何布局，需要在几何布局设计之初就加以考虑。

3、当前计算高速飞行器空重时，首先要确定基准几何布局，然后结构质量估算采用部件法，分别根据经验公式，输入机身、机翼、尾翼等几何外形参数来计算飞行器机身、机翼、尾翼结构质量，计算机载设备、推进系统质量，最终获得高速飞行器空重。但在飞行器设计过程中，飞行器结构材料密度、结构厚度等参数会对飞行器空重产生影响，当前的飞行器空重计算方法并不能反映飞行器空重与结构材料密度与结构厚度之间的关系，将对飞行器优化设计带来不利影响。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高速飞行器概念设计阶段空重快速计算方法，将飞行器结构密度、厚度等参数作为设计变量，计算得到与结构密度、厚度参数相关的飞行器空重，有利于飞行器优化设计。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种高速飞行器概念设计阶段空重快速计算方法，包括：

4、划分飞行器表面网格并存储为三维网格点格式文件；

5、导入飞行器三维网格点格式文件及输入参数；

6、确定飞行器表面防热区域并计算飞行器总表面面积、防热区域表面积；

7、计算飞行器冷、热结构质量；

8、计算飞行器设备质量、推进系统质量；

9、计算飞行器空重。

10、优选的，将飞行器三维模型导入网格划分软件，将飞行器表面网格划分为四边形结构网格，并将网格存储为三维网格点格式的数据文件。

11、优选的，飞行器三维网格点数据按行列排序，与飞行器表面网格点的位置一一对应，每个网格点坐标由三维列向量构成。

12、优选的，所述输入参数包括冷结构材料密度ρ冷结构、热结构材料密度ρ热结构、冷结构厚度th冷结构、强气动加热区厚度th强热结构、弱气动加热区厚度th弱热结构，飞行器机载设备参考体积v设备、推进系统参考体积v推进及飞行器机载设备参考密度ρ设备、推进系统参考密度ρ推进。

13、优选的，所述飞行器表面防热区域包括强气动加热区和弱气动加热区，强气动加热区包括飞行器下表面、头部、机翼前缘、尾翼区域，弱气动加热区为飞行器表面非强气动加热区的区域。

14、优选的，飞行器总表面面积通过计算每一个网格单元面积然后求和获得，第i行第j列网格单元面积计算如下：

15、网格单元对应的四个网格点坐标为[x(i，j)，y(i，j)，z(i，j)]，[x(i+1，j)，y(i+1，j)，z(i+1，j)]，[x(i，j+1)，y(i，j+1)，z(i，j+1)]，[x(i+1，j+1))，y(i+1，j+1)，z(i+1，j+1)]，则网格中心点坐标为：

16、

17、网格单元面积为构成该网格单元的两个三角形面积之和，三角形面积根据海伦公式求得，计算如下：

18、点[x(i，j)，y(i，j)，z(i，j)]到点[x(i+1，j)，y(i+1，j)，z(i+1，j)]距离ls1为：

19、

20、点[x(i，j)，y(i，j)，z(i，j)]到点[x(i，j+1)，y(i，j+1)，z(i，j+1)]距离ls2为：

21、

22、点[x(i+1，j+1))，y(i+1，j+1)，z(i+1，j+1)]到点[x(i+1，j)，y(i+1，j)，z(i+1，j)]距离ls3为：

23、

24、点[x(i+1，j+1))，y(i+1，j+1)，z(i+1，j+1)]到点[x(i，j+1)，y(i，j+1)，z(i，j+1)]距离ls4为：

25、

26、点[x(i+1，j)，y(i+1，j)，z(i+1，j)]到点[x(i，j+1)，y(i，j+1)，z(i，j+1)]距离ls5为：

27、

28、根据海伦公式，点[x(i，j)，y(i，j)，z(i，j)]、点[x(i+1，j)，y(i+1，j)，z(i+1，j)]、点[x(i，j+1)，y(i，j+1)，z(i，j+1)]组成的三角形面积st125计算如下：

29、p125＝(ls1+ls2+ls5)/2

30、

31、其中，p125表示点[x(i，j)，y(i，j)，z(i，j)]、点[x(i+1，j)，y(i+1，j)，z(i+1，j)]、点[x(i，j+1)，y(i，j+1)，z(i，j+1)]组成的三角形三边之和的一半；

32、点[x(i+1，j+1))，y(i+1，j+1)，z(i+1，j+1)]、点[x(i+1，j)，y(i+1，j)，z(i+1，j)]、点[x(i，j+1)，y(i，j+1)，z(i，j+1)]组成的三角形面积st345计算如下：

33、p345＝(ls3+ls4+ls5)/2

34、

35、其中，p325表示点[x(i+1，j+1))，y(i+1，j+1)，z(i+1，j+1)]、点[x(i+1，j)，y(i+1，j)，z(i+1，j)]、点[x(i，j+1)，y(i，j+1)，z(i，j+1)]组成的三角形之和的一半；

36、第i行第j列网格单元面积s(i，j)为：

37、s(i，j)＝st125+st345。

38、优选的，飞行器表面防热区域表面积包括强气动加热区表面积s强防热区和弱气动加热区表面积s弱防热区；

39、s强防热区＝s下表面+s头部+s机翼前缘+s尾翼

40、s弱防热区＝s总表面-s强防热区

41、其中s下表面表示飞行器下表面的表面积，s头部表示飞行器头部表面积，s机翼前缘表示飞行器机翼前缘表面积，s尾翼表示飞行器尾翼区域表面积，s总表面表示飞行器表面防热区域表面积。

42、优选的，飞行器冷结构质量mass冷结构、热结构质量mass热结构满足：

43、mass冷结构＝s总表面×th冷结构×ρ冷结构

44、mass热结构＝s强防热区×th强热结构×ρ热结构+s弱防热区×th弱热结构×ρ热结构

45、优选的，飞行器设备质量mass设备、推进系统质量mass推进满足：

46、mass设备＝v设备×ρ设备

47、mass推进＝v推进×ρ推进。

48、优选的，飞行器空重mass空重由飞行器冷结构质量mass冷结构、热结构质量mass热结构、设备质量mass设备、推进系统质量mass推进相加得到。

49、mass空重＝mass冷结构+mass热结构+mass设备+mass推进。

50、本发明有益技术效果如下：

51、(1)利用本发明方法进行高速飞行器概念设计时，可以将飞行器结构密度、厚度等参数作为设计变量，计算得到与结构密度、厚度参数相关的飞行器空重，更加符合设计实际，有利于飞行器优化设计。

52、(2)本发明方法使飞行器空重计算、飞行器气动性能计算与飞行器装载能力计算共用一套表面网格，实现了“一网多用”，计算空重的同时还能进行飞行器气动性能计算、飞行器装载能力计算，提高概念设计阶段多学科优化计算效率，降低时间成本。

53、(3)本发明飞行器概念设计阶段空重快速计算方法，飞行器空重计算方法简单，易编程实现，方便集成到多学科优化设计主程序中。