CN104149970A - 基于多孔介质的高超声速飞行器减阻方法 - Google Patents

Abstract

基于多孔介质的高超声速飞行器减阻方法，涉及飞行器减阻方法。在多孔介质材料坯板上等间距制作出圆柱形盲孔阵列，得到多孔介质材料板；多孔介质材料板开孔率为15％～30％，多孔介质材料板的厚度H为400～600μm，圆柱形盲孔阵列的相邻孔间距为80～120μm，圆柱形盲孔的深度d为250～350μm，圆柱形盲孔的直径φ为50～90μm；将高超声速飞行器的机身表面上的大面积较平滑过渡区域作为多孔介质材料板的安装点；通过安装铆钉等间距铆在多孔介质材料板的边缘与高超声速飞行器的机身固连。十分简单、应用造价低，可显著减少高超声速飞行器的所增加的飞行重量，从而提高飞行器的巡航距离和机动性。

Description

基于多孔介质的高超声速飞行器减阻方法

技术领域

本发明涉及飞行器减阻方法，尤其是涉及一种基于多孔介质的高超声速飞行器减阻方法。

背景技术

临近空间高超声速飞行器是21世纪航空航天技术的制高点，由于其对国际战略格局、军事力量对比、综合国力提升等有着重要的影响，所以临近空间高超声速飞行器已经成为国际竞相争夺空间技术的焦点之一。

高超声速飞行器飞行时产生的巨大阻力是研制和发展高超声速飞行器过程中必须优先考虑和解决的一个重要因素。巨大的阻力不仅意味着飞行器要携带更多的燃料来克服阻力影响，而且也导致了自身有效载荷的减少。从流体力学的角度，高超声速飞行器飞行时受到的阻力可以分为激波阻力和摩擦阻力两种。当飞行器在高超声速状态下飞行时，摩擦阻力在总阻力中占有很重要的一部分，预计占总阻力的30％～50％，所以减小摩擦阻力是高超声速飞行器设计研究中重要的考虑因素之一。通常流动状态可以分为层流、湍流和转捩三种形态。其中转捩是层流向湍流转变的过渡阶段。相对于湍流流动，层流流动具有较低的摩擦阻力，因此，推迟高超声速飞行器表面气流转捩的发生，就可以实现高超声速飞行器的减阻。

Norman D.Malmuth和Alexander V.Fedorov等人(N.Malmuth,A.Fedorov,V.Shalaevtet al.Problems in High Speed Flow Prediction Relevant to Control.AIAA Paper 98-2695,1998)于1998年指出多孔材料具有吸收高频扰动的作用，因此他们假定多孔材料能够通过吸收高频扰动使第二模态和更高阶模态趋于稳定。同时，他们采用无粘稳定性理论对该假定开展了分析，结果表明多孔材料能够使第二模态稳定，推迟转捩的发生。

Alexander V.Fedorov和Norman D.Malmuth等人(Fedorov,A.V,Malmuth,N.D.,Rasheed,A.,Hornung H.G.:Stabilization of hypersonic boundary layers byporouscoatings.AIAA Journal,Vol.39,No.4,pp.605-610,2001)于2001年对带有多孔介质覆盖层的平板高超声速边界层开展了稳定性分析，覆盖层上等间距分布微尺度圆柱盲孔。结果表明：多孔覆盖层通过吸收扰动能量极大地抑制了第二模态的放大效果。Fedorov进一步指出，厚度约为层流边界层排移厚度30％的薄多孔介质覆盖层能够有效抑制第二模态的增长是由于多孔材料上小孔的排布方式、小孔间距和小孔直径的设置能够避免小孔之间扰动的相互干扰，从而整体上抑制扰动能量的传递。

A.Rasheed和H.G.Hornung等人(Adam Rasheed,Hans G.Hornung,Alexander V.Fedorovet al.Experiments on Passive Hypervelocity Boundary Layer Control Using a PorousSurface.AIAA Paper2001-0274,2001)于2001年对半锥角为5.06°带有多孔覆盖层的圆锥在加州理工大学T5高焓风洞开展了转捩实验研究，多孔介质覆盖层与无多孔介质覆盖层各占圆锥表面一半。与无多孔介质层覆盖的实验结果对比表明：多孔介质覆盖层能够有效推迟转捩的发生。但是，研究采用的多孔介质层的厚度的孔径大小，分布率和覆盖层厚度均为Alexander V.Fedorov推荐值，他们的研究未尝试采用尺度更大的小孔，小孔的排列方式也尽量避免孔与孔之间的相互扰动。因此，实验虽然验证了Alexander V.Fedorov等人关于多孔介质层能够有效推迟转捩的结论，但是并未对多孔介质层导致转捩推后的流动机理进行参数化分析。

德国航空航天中心(DLR)的Viola Wartemann等人(Viola Wartemann,Heinrich Ludekeet al.Stability analysis of hypersonic boundary layer flow over microporous surfaces.AIAA Paer2009-7202)对马赫6来流条件下覆盖多孔介质的7°半锥角圆锥开展了大量的高焓风洞实验及LST和DNS数值研究，结果都有效证明了多孔介质覆盖层对抑制第二模态的增长及推迟高超声速边界层转捩的作用。

发明内容

本发明的目的旨在针对现有高超声速飞行器减少摩阻的方法所存在的不足，提供一种将多孔介质材料运用于高超声速飞行器机身的基于多孔介质的高超声速飞行器减阻方法。

基于多孔介质的高超声速飞行器减阻方法，包括以下步骤：

1)制作多孔介质材料板

在多孔介质材料坯板上等间距制作出圆柱形盲孔阵列，得到多孔介质材料板；多孔介质材料板开孔率为15％～30％，多孔介质材料板的厚度H为400～600μm，圆柱形盲孔阵列的相邻孔间距为80～120μm，圆柱形盲孔的深度d为250～350μm，圆柱形盲孔的直径φ为50～90μm；

在步骤1)中，所述多孔介质材料坯板可直接采购。

2)在高超声速飞行器表面选定多孔介质材料板的安装点

将高超声速飞行器的机身表面上的大面积较平滑过渡区域作为多孔介质材料板的安装点；

3)多孔介质材料板的安装

通过安装铆钉等间距铆在多孔介质材料板的边缘与高超声速飞行器的机身固连。

与现有技术比较，本发明具有如下突出优点：

本发明十分简单、应用造价低，与其它减阻方法比较可显著减少高超声速飞行器的所增加的飞行重量，从而提高飞行器的巡航距离和机动性。同时在不同的来流马赫数下，该方法都能较好的抑制延缓高超边界层层流向湍流的转捩，保持机体表面边界层层流状态，从而更好地起到减阻和防热的作用。第二模态(Mack模态)是高超声速气流转捩过程中的主导模态。多孔介质表面存在的空隙会部分吸收消散扰动能量，对第二模态产生稳定性影响，从而推迟延缓高超声速气流的转捩，对高超声速飞行器起到减阻的作用。为了让多孔介质材料起到推迟高超声速气流的转捩而减阻的作用，多孔介质材料各相关参数的选择可根据飞行器的具体情况匹配，以达到最好的减阻效果。

由于采用多孔介质材料延缓转捩，保持边界层流动层流状态，从而降低高超声速飞行器巡航时的阻力，减少机身外表面热交换，提高高超声速飞行器的巡航距离和机动性。基于多孔介质的高超声速飞行器减阻方法，以多孔介质材料及其在外锥表面流动的应用为基础。设计过程中可预先在高超声速飞行器的机体外表面选择压力梯度小，没有激波附面层相互干扰的位置安装多孔介质材料，推迟延缓高超边界层层流向湍流的转捩，起到减阻和热防护的作用。

附图说明

图1为本发明实施例所制作的多孔介质材料板的结构示意图。

图2为本发明实施例所制作的多孔介质材料板在高超声速飞行器(飞机类)的安装位置俯视示意图。

图3为本发明实施例所制作的多孔介质材料板在高超声速飞行器(飞机类)的安装位置正视示意图。

图4为本发明实施例所制作的多孔介质材料板在高超声速飞行器(飞机类)的安装位置左视示意图。

图5为本发明实施例所制作的多孔介质材料板在高超声速飞行器(导弹类)的安装位置示意图。

图1～5中，各标记表示：

1.多孔介质材料板；2.多孔介质材料板表面圆柱形盲孔；3.高超声速飞行器(飞机类)；4.安装铆钉；5.高超声速飞行器(导弹类)；S.多孔介质材料板表面圆柱形盲孔孔间距；H.多孔介质材料板的厚度；d.多孔介质材料板表面圆柱形盲孔的深度；φ.多孔介质材料板表面圆柱形盲孔的直径。

具体实施方式

参见图1～4，本实施例所述基于多孔介质的高超声速飞行器(飞机类)减阻方法，步骤包括：

1、制作多孔介质材料板

将多孔介质材料坯板(可直接选购)进行加工，等间距制作出多孔介质材料板表面圆柱形盲孔2阵列，多孔介质材料板开孔率为15％～30％，多孔介质材料板的厚度H为400～600μm，多孔介质材料板表面圆柱形盲孔孔间距S为80～120μm，多孔介质材料板表面圆柱形盲孔的深度d为250～350μm，多孔介质材料板表面圆柱形盲孔的直径φ为50～90μm；保证一个扰动波长内约10～20个多孔介质材料板表面圆柱形盲孔2；

2、在高超声速飞行器(飞机类)表面选定多孔介质材料板的安装点

将高超声速飞行器(飞机类)3的机身表面上的大面积较平滑过渡区域作为多孔介质材料板1的安装点；

3、多孔介质材料板的安装

通过安装铆钉4等间距铆在多孔介质材料板1的边缘与选定的高超声速飞行器(飞机类)3的机身表面位置固连。

参见图5，图5为本发明实施例所制作的多孔介质材料板在高超声速飞行器(导弹类)的安装位置示意图。图5中，多孔介质材料板1包裹在高超声速飞行器(导弹类)5的弹身表面；标记4为安装铆钉。

Claims (1)

1.基于多孔介质的高超声速飞行器减阻方法，包括以下步骤：

1)制作多孔介质材料板

在多孔介质材料坯板上等间距制作出圆柱形盲孔阵列，得到多孔介质材料板；多孔介质材料板开孔率为15％～30％，多孔介质材料板的厚度H为400～600μm，圆柱形盲孔阵列的相邻孔间距为80～120μm，圆柱形盲孔的深度d为250～350μm，圆柱形盲孔的直径φ为50～90μm；

2)在高超声速飞行器表面选定多孔介质材料板的安装点

将高超声速飞行器的机身表面上的大面积较平滑过渡区域作为多孔介质材料板的安装点；

3)多孔介质材料板的安装

通过安装铆钉等间距铆在多孔介质材料板的边缘与高超声速飞行器的机身固连。