1.2 外形优化

由于性能的提升可以通过改变飞行器的外形来实现，这种外形优化已经成为人们感兴趣的研究方向。在气动外形优化方面早期开创的方法是由Miele (1965)提出的，其中介绍了不同气动条件下飞行器最优外形的理论考虑。对于许多简单的参数化，飞行器的最优外形可以推导出来，比如激波阻力最小的外形，具有给定长度和体积或者给定基本面积和长度的外形。

在外形优化领域，很多研究人员已经解决了再入返回舱的优化问题。因为这种外形要比通常的升力式再入飞行器外形简单，所以其设计变量的数量通常来说也会相对较少。Theisinger和Braun (2009) 讨论了他们最近对火星返回舱的外形优化工作，其中使用了所谓的非均匀有理B样条 (NURBS) 表面，以及具有20个设计变量的几何描述来开展概念外形的优化。优化准则是下一章节中定义的最大化阻力面积CDSref、最小化 (最负) 静稳定面积 (CmSrefcref)α以及最大化填充效率ηV。一个通用的NURBS描述的图像，以及最优的外形见图1.10，它展示了几何描述强烈的多样性。

Johnson等 (2007) 讨论了另外一项关于气动减速伞外形优化的有关研究。他们使用解析式来描述其特性，这样就可以评估大量的外形。在这项设计工作中，考虑了以双曲线速度进入的再入，因此辐射加热对飞行器设计具有非常重要的影响。施加于飞行器上的约束包括俯仰、滚转、偏航的稳定性，以及驻点加热量的最大值。对这些约束更详细的描述见第2.3.3节和第6.3.2节。

近期，在本书讨论的框架开头部分，Ridolfi等 (2012) 探讨了从近地轨道返回的无人再入返回舱的鲁棒外形优化。通过追踪设计目标，不仅在设计参数空间，也包括不确定空间——所谓的双库法，可以最少的仿真次数得到最优的外形和TPS设置。结果给出了在名义任务及不确定任务下，小型完全重复使用的返回舱和具有烧蚀材料返回舱最优构型的Pareto前沿。

对于更加复杂的高超声速升力体优化的问题，Golubkin和Neogodam (1995)讨论区分了两类优化问题。一类是乘波体飞行器的优化，另一类是使用当地压力法的常规外形的优化，比如在第3.3节中要讨论的外形，这些外形都将在本书的优化设计中使用。Kinney (2006) 给出了仅使用无黏方法 (第3.3节中的讨论内容) 的HL-20飞行器外形优化的结果，其中考虑了升阻比L/D在单个设计点的优化。在这些作者所开展的研究工作中，设计变量是非结构化网格中所有节点(6775) 的位置，导致产生了20325个设计变量，使用了共轭梯度法进行优化，结果见图1.11，其中可以看出明显的、急剧的外形变化，这将产生不利的气动热效应，这是作者注意到的一个问题。优化过程取得了令人印象深刻的结果，当前在20°迎角的情况下得到了最大的升阻比L/D，这个角度几乎是原先状态下的2倍。尽管包含约束之后可能降低这个值，但是这表明了一个事实，那就是显著改善高超声速的升阻比L/D是可以实现的。

Huertas等 (2010) 开展了再入飞行器外形的优化研究，使用了ASTOS软件包进行再入飞行器的多学科设计优化 (MDO)。他们给出了一个模型用来开展再入飞行器外形的并行优化，其中使用了大量不同的参数，类似我们这里描述的返回舱的参数。这个模型中考虑了学科耦合：(a) 空气动力学，(b) 几何外形，(c) 轨迹，(d) 重量，(e) 热防护系统。这项优化工作中所使用的空气动力学代码是由DLR开发的二阶激波-膨胀代码。使用这种方法的计算复杂程度超出了目前我们工作的范围，但因为我们重点关注概念设计，因此对大量的飞行器外形进行快速分析是非常重要的。因此，我们将使用更简单但不精确的局部倾斜法来进行计算分析。

波音公司的Bowcutt等 (2008) 开展了将MDO方法应用于一种两级入轨运载器上面级的有关研究。在这篇文章中，采用了低精度和高精度结合的代码来分析与超燃冲压发动机推进装置一体化融合的高超声速飞行器。利用了一个三维的雷诺-平均纳维斯托克斯 (RANS) 气动模型来计算飞行器前体和超燃冲压发动机进气道的流动，以获得复杂的超燃冲压流动的精确结果。低精度的代码则用来分析整个飞行器的气动特性。利用参数化获得的多个可能的飞行器的外形见图1.12。尽管大约有50个参数用来对飞行器进行完整的参数化，但实际上在MDO分析中只包含了12个最重要的参数，以减小计算的代价。

当使用复杂气动分析代码时，对整个设计变量空间进行全局搜索通常是不太可能的。在当前的研究中，我们将对利用全局搜索设计变量和自动寻优这两种方法的分析复杂程度进行权衡，以便在研究中找到飞行器外形优化的方向。

很显然，对于再入飞行器，将市场的现代化发展和设计方案与相对强大的计算能力相结合，开辟了飞行器设计的一个全新的领域。特别是许多可能的再入飞行器，其性能可以利用仅占用有限计算资源的具有合理精度的方法进行仿真计算得到。因此，这些方法可以用于飞行器设计算法的内部循环中，允许分析和优化一组变量对整体性能的影响。本书中，我们着重分析飞行器外形参数的影响，并结合采用了现代优化技术的概念设计方法，从而实现在早期设计阶段能够对飞行器设计进行更加全面有力的探索。