一、西工大的新论文

这两天我在航空学报上阅读到了，西工大的一篇有关于高超声速飞机的论文。里边提到西工大研究团队，研究出了一种飞/发一体式高超声速飞机优化设计方法。

研究团队以SR-72飞行器为对象，在其基础上，以航程为目标进行优化设计，最终实现了航程数据提高28.98%的出色效果。

那么要是将西工大这一优化设计方法，应用在鸣镝系列飞行器的身上，岂不是10马赫飞行极速，上万公里航程都有可能实现，可以说这一论文对国内高超声速飞行器研究提供了极大的帮助。今天咱们依据西工大的论文，来聊一聊飞/发一体式高超声速飞机优化设计方法。

二、西工大的优化设计方法对高超音速飞行器的提升有多大？

前段时间咱们自主研发的临近空间宽域飞行器鸣镝，顺利完成关键性飞行试验，飞行速度最快可突破6倍音速。

原以为这会是国产高超声速飞行器的极限，却没想到如今西工大的这篇论文一出来，鸣镝系列飞行器的各项性能还能有大幅度的提升。究其原因在于西工大的这个飞发一体式高超声速飞行器优化设计方法，极大程度的改善了高超声速飞行器目前存在的一大难题。

目前全球超级大国的航空研究领域，都看到了高超声速飞机身上具备的大空域、宽速域的特点，军民领域全都致力于挖掘高超声速飞机的应用价值。不过随着研究的深入，不少专家都发现了高超声速飞行器在高速状态下的动力系统净推力裕度较小，很难实现推阻平衡。

此外高超声速飞行器的气动布局设计，普遍都是将发动机给放在机身下边，这样可以利用飞行器前部的来流预压缩面和后体下表面的自由膨胀面，来尽可能的减小飞行器阻力，充分发挥出发动机性能。

不过这样设计的话，会导致飞行器外流耦合十分严重，并对飞行器的推力，升力，阻力等等性能上产生最直接的影响。如果无法解决这些问题，那么将很难设计出一款合格的高超声速飞机来。

而论文作者也不建议使用传统飞行器的设计思路，来设计高超声速飞行器。因为传统飞行器的设计，多依赖于多学科解耦的设计思路，也就是将各个系统按照学科划分成单独的子系统，例如鸭翼、主机翼、尾翼、航空发动机等等方面都做单独的设计，最终将它们糅合到一起。

如果用这种方法去设计高超声速飞机，结果就是无法顾及到各个学科相互耦合产生的协同效应，导致设计出来的高超声速飞机的总体性能不达预期。

故西工大的研究团队，针对这一问题出发，结合NASA兰利研究中心的基于系统内相互作用的协调机制，研究出了高超声速飞行器多学科优化设计方法。

该方法主要分为气动外形参数优化和轨迹优化，通过内外层的分层结构，建立起气动外形参数优化同轨迹优化之间的联系，获得性能最优目标下的气动外形和飞行轨迹方案。

此外西工大的这一设计方法，得益于内外两层结构，将各学科的优化目标区分开来，让科研人员可以有针对性的对气动，轨迹以及控制等不同学科的设计变量做优化，无形之中降低了高超声速飞行器的设计优化复杂度。

为了印证这一方法的可行性，西工大科研人员，将洛克希德·马丁公司研发的SR-72高超声速飞机外形作为实验对象，参数选取了SR-72的前体长度，前体宽度和尾喷管高宽比。

为了控制变量，科研人员还分别构建了前体长度4.5米、5米和5.5米的变长度构型，前体宽度和尾喷管高宽比也分别设置了三种。此外西工大的科研人员，还将涡轮基组合循环发动机作为实验研究对象的动力方案。

这是一种将涡轮发动机和冲压发动机进行有机结合的新型发动机，也是航空领域广泛认为宽速域，太空域飞行器的理想动力方案之一。西工大的科研团队针对涡轮基组合循环发动机进行了模拟实验，测算出该型号发动机的工作状态、飞行高度和速度范围。

当其位于两百至一万五千米的空域飞行时，由涡喷发动机提供动力，速度在0.4马赫到2马赫之间。而当其进入一万五千米以上，至两万两千米之间的空域时，会由涡轮喷气式发动机和超燃冲压发动机共同出力，此时飞行器的速度在2马赫到3.5马赫之间。当飞行器进入两万两千米以上的空域时，发动机则会进入超燃冲压发动机状态，此时飞行速度最快可以达到6马赫。

所有数据准备完毕，西工大科研团队便开始了模拟测试，通过各种复杂公式的计算后，得出优化后的构型比原始构型的航程数据提高了28.98%，由原来的2064.89千米提高到2663.39千米。

三、西工大的优化设计方法如何取得如此优异的优化效果？

至于是怎么实现这么好的效果，论文当中有提到。优化后的飞机构型，爬升时间明显比原始构型更短，这造成优化后的飞机构型在爬升阶段的耗油量大幅减少，巡航阶段的可用燃油量增加。

而优化设计方案在气动外形上做出的改动，使得飞行器在巡航阶段的耗油率相较于原始构型降低了32.39%。等于说留给巡航阶段的燃料更多，再加上巡航阶段耗油少，最终实现了航程数据显著提升的效果。

经过这一测试，可以得出结论，西工大研究出来的飞/发一体高超声速飞机的气动/轨迹/控制多学科优化设计方法，能对飞行机的几何外形以及飞行轨迹做合理规划，综合考虑宽速域飞行任务中，气动、推进、轨迹与控制等学科的耦合影响，显著提升飞行器在整个飞行任务里的综合性能。

基于这一优化方法，咱们的鸣镝系列宽域飞行器，可以实现更快的飞行速度，更高的飞行高度，以及更远的航程数据。甚至我们未来的高超声速武器，也会因为这一方法而有极大程度的性能提升。

这样一个优化设计方法，很庆幸由咱们的西工大率先发现，这在老美也对高超声速飞行器领域持续投入的大背景下，可以让国产的高超声速飞行器，始终在性能上做到超越美国，让一众西方国家都难以超越。