一种考虑容积的低气动阻力锥段组合外形设计方法及装置与流程

本发明属于飞行器外形气动设计领域，具体涉及一种锥段组合外形设计方法及装置。

背景技术：

1、旋成体构型是导弹常用的型体之一，具有气动阻力小、外形简单、加工方便等优点，其前端通常为单个或多个圆锥段组成，用以降低飞行时的波阻。由于圆锥外形相较于圆柱外形其可用容积仅有后者的三分之一，为了保证装载需求，在气动外形设计中，通常是在导弹全弹长限制前提下，先确定发动机装药量，从而确定圆柱段长度，再将剩余长度作为圆锥段，若在锥段也有装载要求，则按要求将圆锥段改为双圆锥串列布置的形式。目前旋成体构型导弹的圆锥外形缺乏正向的设计，通常是优先满足导弹的总长约束、动力需求和装载需求，其次将剩余的轴向长度作为圆锥段，此时旋成体弹身的气动阻力并不处于最优状态，在高马赫数飞行时，导弹弹身圆锥产生的波阻能够达到全弹阻力的60％以上，现有技术圆锥波阻占比大，气动外形不是最优状态，是现有技术的主要的不足。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种考虑容积的低气动阻力锥段组合外形设计方法。

2、一种考虑容积的低气动阻力锥段组合外形设计方法所采用的技术方案包括下述步骤：

3、步骤1、构建初始圆锥段：初始圆锥底面为s，初始圆锥底面s的直径为预设值d2；头部半球球体圆心位于初始圆锥内部轴线上，且与初始圆锥两条母线相切，头部半球球体半径为预设值r；头部半球球体顶点到初始圆锥底面s的距离为预设值l；

4、步骤2：构建锥段组合：在初始圆锥段内，以预设值d1为直径，距离头部半球球体顶点为预设值l1的位置处，做平行于初始圆锥底面s的截面s1；作以截面s1为底面的圆锥，圆锥母线与头部半球球体相切，形成一锥；初始圆锥底面s和截面s1形成圆锥台，为二锥，此时构成锥段组合；一锥锥角为θ1；二锥锥角为θ2；l2为l与l1的差；令λ＝θ1/θ2；

5、步骤3、锥段气动优化：

6、步骤3.1当λ小于给定值时，将s1向头部半球移动，移动后λ不应超过在s1移动过程中，一锥长度l1减小，二锥长度l2增大，θ1、θ2在s1移动过程中变化，计算此刻λ的值，若λ小于则继续将s1向头部半球移动，直至则设计优化结束；

7、步骤3.2、当λ大于给定值时，判断l是否能够增加，若可以，将s1和s同时向远离头部半球方向移动，保持二锥锥角不变，一锥锥角变小，直至设计优化结束；此时一锥长度l1增大，圆锥段总长度增加；若l不能增加，则设计优化结束。

8、其中步骤3中的取值范围为

9、优选的，当时，锥段气动优化容积和阻力最优。

10、使用一种考虑容积的低气动阻力锥段组合外形设计方法的装置,包括头部半球和初始圆锥，头部半球球体半径为r，头部半球球体圆心位于初始圆锥内部轴线上，且与初始圆锥两条母线相切，初始圆锥底面为s，初始圆锥底面s的直径为d2；头部半球球体顶点到初始圆锥底面s的距离为预设值l；在初始圆锥内部轴线上，距离头部半球球体顶点l1的位置，做平行于初始圆锥底面s的截面s1，截面s1的直径为d1；此时头部半球、截面s1和初始圆锥底面s构成锥段组合；其中头部半球至截面s1处为一锥，s1至s为二锥；一锥锥角为θ1；二锥锥角为θ2；l2为l与l1的差；令λ＝θ1/θ2，移动s1,调整θ1和θ2，比较λ与给定值直至λ与给定值相等，得到气动优化容积和阻力最优的锥段组合外形装置；其中d2为飞行指标要求的锥段最大直径；r为根据飞行指标要求确定头部半球球体半径；l为飞行指标要求的圆锥段总长度；d1为飞行指标要求中的装载需求的最大径向尺寸；l1为飞行指标要求装载需求中安装部件的最大径向截面与头部半球顶点的距离；头部半球球体半径在5mm至40mm间。

11、本发明的有益效果是：通过有限步骤快速生成导弹的锥段组合体，生成的锥段气动外形具有良好的阻力特性同时保障了锥段舱段的容积。图3为工程应用中某锥段组合体阻力系数与容积随λ变化曲线，可知在λ＝1.5附近锥段外形的阻力特性较优且保持较好的容积。

12、在上述调整λ的过程中，减少阻力的原因在于：由于锥段组合外形在超声速飞行中，超声速阻力主要由激波产生的压差阻力构成，超声速气流流经圆锥表面受到压缩产生斜激波，波后的高压区域即为构成锥段阻力的主要因素，圆锥锥角越大，产生的激波强度越强，诱发的压差阻力也越大。将单锥改为双锥，并调整两个锥的锥角，增大一锥锥角的同时减小一锥锥长使其在有限程度内增阻，此时二锥锥角减小，二锥阻力大幅降低，从而使得整个锥段的阻力得到优化，生成的锥段气动外形具有良好的阻力特性同时保障了锥段舱段的容积。

技术特征：

1.一种考虑容积的低气动阻力锥段组合外形设计方法，其特征在于：包括下述步骤：

2.根据权利要求1所述的一种考虑容积的低气动阻力锥段组合外形设计方法,其特征在于：步骤3中的取值范围为

3.根据权利要求2所述的一种考虑容积的低气动阻力锥段组合外形设计方法,其特征在于：步骤3中的取值为

4.一种根据权利要求1所述的考虑容积的低气动阻力锥段组合外形设计方法的装置，其特征在于：包括头部半球和初始圆锥，头部半球球体半径为r，头部半球球体圆心位于初始圆锥内部轴线上，且与初始圆锥两条母线相切，初始圆锥底面为s，初始圆锥底面s的直径为d2；头部半球球体顶点到初始圆锥底面s的距离为预设值l；在初始圆锥内部轴线上，距离头部半球球体顶点l1的位置，做平行于初始圆锥底面s的截面s1，截面s1的直径为d1；此时头部半球、截面s1和初始圆锥底面s构成锥段组合；其中头部半球至截面s1处为一锥，s1至s为二锥；一锥锥角为θ1；二锥锥角为θ2；l2为l与l1的差；令λ＝θ1/θ2，移动s1,调整θ1和θ2，比较λ与给定值直至λ与给定值相等，得到气动优化容积和阻力最优的锥段组合外形装置；其中d2为飞行指标要求的锥段最大直径；r为根据飞行指标要求确定头部半球球体半径；l为飞行指标要求的圆锥段总长度；d1为飞行指标要求中的装载需求的最大径向尺寸；l1为飞行指标要求装载需求中安装部件的最大径向截面与头部半球顶点的距离。

5.根据权利要求4所述的一种考虑容积的低气动阻力锥段组合外形设计方法的装置，其特征在于：头部半球球体的半径在5mm至40mm间。

技术总结
本发明提供一种考虑容积的低气动阻力锥段组合外形设计方法及装置，属于锥段组合外形气动设计领域。主要解决的问题是在满足锥段装载容积需求的同时，尽可能的优化气动外形设计，从而降低气动阻力。本发明采用的技术方案为根据原始需求，首先构建初始圆锥段，再根据需求，将初始圆锥段拆分为双锥组合，计算一锥和二锥锥角的比值并与预设值进行比较，进而调整一锥和二锥长度，达到预设值时锥段组合气动阻力与容积达到最优。

技术研发人员：刘钧圣,庞川博,牛智奇,杨树兴,吕鸿鹰,向玉伟,苗昊春,袁先士,付小武,朱红星,韦巧玲,童静,杨云刚,李昊,李琪,苗劲松,裴培,魏其,胡文谦
受保护的技术使用者：西安现代控制技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15