高超声速飞行器构型优化的熵-同伦扰动方法研究和应用

针对高超声速飞行器一体化构型的多学科/多目标优化设计问题，以提高优化方法的稳定性和计算效率，获得优化构型的几何和性能参数为研究目标。首先通过引入极大熵原理和增广拉格朗日方法开展熵正则化方法研究，将多约束/多目标问题转化为合理的无约束单目标函数形式。其次在保证高效稳定的前提下，加入邻域扰动技术，发展一种具有搜索到全局最优点能力的优化方法，并与熵正则化方法结合开发构型优化设计程序。在方法研究的基础上，以高精准度的CFD计算为主要分析工具，设计出同时考虑气动力、热、推进、容积等目标和约束条件下的优化飞行器构型，并通过数值和风洞实验获得其性能参数。本项目以重大计划的总体目标为基准，交叉运用非线性优化方法、计算流体力学和高超声速飞行器构型设计的最新研究进展，立足于针对实际应用的方法探索。方法和程序可为深入研究提供保障和支撑，获得的构型相关参数可作为实际设计的参考和依据。

本项目通过三年的研究，共取得了如下几个方面的进展：1）开展了吸气式飞行器一体化构型全参数化设计工作；2）提出了一种基于外形修正量的参数化设计方法，并在后续的优化设计工作中验证了其有效性和优势；3）在优化设计方法方面，首先将目标函数进行同伦修正，进而与遗传算法结合，发展了一种高效且具有全局搜索特性的同伦扰动遗传算法（HPGA），进而考虑多目标优化设计问题，将多个目标进行凝聚，发展了熵正则化算法。通过多个算例验证了上述方法的有效性；4）在方法研究的基础上，针对吸气式飞行器上壁面多目标优化设计问题、后体-尾喷管一体化构型优化设计问题、乘波体压缩面优化设计问题、以及飞行器前缘热流均匀化等问题开展了一系列优化设计工作，分别获得了飞行器上壁面的变化对其升阻比/容积的影响规律、关键参数对后体-尾喷管一体化构型升力/推力的影响规律、乘波体压缩面外形变化对其升力/阻力/升阻比/容积的影响规律等。在以飞行器前缘热流均匀化为目标的优化中，提出了一种新型前缘型线，其最大热流较常用的二维圆柱或球头钝化方式减小20%左右，且驻点附近热流分布十分均匀。.本项目的主要研究内容均完成，研究成果验证了研究思路的正确性和研究计划的合理性。相关研究结果可为进一步的工程应用提供技术支撑和设计参考。通过本项目的支持，在国内外高水平期刊及会议上共发表论文十余篇，其中SCI检索2篇，EI检索2篇，ISTP检索3篇，获得软件著作权登记一项，获得发明专利授权2项，提交发明专利申请2项。