CN104590570A - 一种内平衡自适应鼓包进气道的结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空结构设计技术领域，涉及一种内平衡自适应鼓包进气道的结构设计方法。所述结构设计方法包括以下方面：所述进气道的鼓包型面上，选定变形区域；柔性蒙皮由弹性胶膜和高弹纤维复合而成；进气道的基础型面与外侧柔性蒙皮之间形成外侧密封腔，与内侧柔性蒙皮之间形成内侧密封腔；柔性蒙皮的初始形状与内平衡自适应鼓包进气道的基础型面一致；进气道带有变形驱动装置；在所述变形驱动装置的控制下，内平衡自适应鼓包进气道的柔性蒙皮可以改变形状。本发明解决了常规鼓包进气道型面不可调节的问题，使进气道在不同飞行状态下都具有最优的气动性能和进发匹配特性，具有良好的工程适用性。

Description

一种内平衡自适应鼓包进气道的结构设计方法

技术领域

本发明属于航空结构设计技术领域，涉及一种内平衡自适应鼓包进气道的结构设计方法。

背景技术

先进超音速战斗机具有宽速域、高机动、高隐身能力的特征。为了提高飞机的隐身性能，第四代战斗机普遍采用了三元进气道，例如美国的F-35飞机使用的Bump(鼓包)进气道。但是，这种进气道的三维型面不可调节，只能在设计飞行速度下达到最佳性能，而在非设计点处的性能变差。如果进气道在全飞行包线内都能够保持高性能，将会显著地提高超音速战斗机的飞行性能和作战能力。

自适应鼓包进气道可以根据飞机的飞行速度，自适应地改变进气道鼓包型面的结构形状，从而调节进气道的喉道面积，满足发动机在不同飞行状态下的流量需求，使进气道在大范围飞行速度和攻角下都能够保持良好的气动性能和进发匹配特性，全面提升超音速战斗机的性能。

自适应鼓包进气道的结构设计存在较大的难度，一方面，进气道的鼓包型面需要在较大的范围内反复改变形状，适应发动机进气流量的调节需求；另一方面，鼓包型面还还需要具备承受进气道气动载荷的能力，以满足工程实际应用的要求。在这种情况下，需要突破传统结构和材料的限制，发展一种实现鼓包进气道自适应功能的新途径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种内平衡自适应鼓包进气道的结构设计方法，使进气道的鼓包型面可以根据飞机的飞行速度进行自适应形状改变，并具有较好的工程适用性。

本发明的技术方案是：一种内平衡自适应鼓包进气道的结构设计方法，其特征为所述结构设计方法包括以下方面：

1)所述内平衡自适应鼓包进气道的鼓包型面上，选定一定范围的区域作为变形区域；在所述变形区域内，鼓包进气道的刚性金属结构蒙皮作为基础型面；所述基础型面的内、外两侧表面上均附着一层柔性蒙皮；

2)所述柔性蒙皮由弹性胶膜和高弹纤维复合而成；所述弹性胶膜作为基体材料，是由橡胶加工而成的、具有一定厚度和弹性的膜状结构，其作用是根据自适应鼓包进气道的设计要求，产生所需要的变形，并维持柔性蒙皮的表面形状；所述高弹纤维作为增强材料，由经向纤维和纬向纤维交叉排布，构成网状结构，并嵌入弹性胶膜的内部；所述高弹纤维可以随弹性胶膜一起变形，其作用是提高柔性蒙皮的刚度，使柔性蒙皮能够承受其表面的气动载荷；

3)所述内平衡自适应鼓包进气道的基础型面与外侧柔性蒙皮之间形成外侧密封腔，与内侧柔性蒙皮之间形成内侧密封腔；所述柔性蒙皮的初始形状与内平衡自适应鼓包进气道的基础型面一致；

4)所述内平衡自适应鼓包进气道带有变形驱动装置，该装置采用气体充压的方式利用充气泵向密封腔内充压使柔性蒙皮变形；利用蒙皮连接带实现内外密封腔体积的协调变化；利用阀门及管路控制气体流向；利用压力传感器及流量传感器获取压力及流量信息，以此为参数，控制柔性蒙皮向任意设计型面的变形；利用密封气体为柔性蒙皮提供足够的面外刚度；

5)在所述变形驱动装置的控制下，内平衡自适应鼓包进气道的外侧柔性蒙皮可以在基础型面与最高型面之间的范围内改变形状，内侧柔性蒙皮可以在基础型面与最低型面之间的范围内改变形状。

进一步地，当飞机在飞行过程中的速度逐渐增大时(即飞机处于高速飞行状态)，进气道需要小流通面积。此时，对外侧密封腔充压，使外侧密封腔的体积增大；同时，在蒙皮连接带的作用下，内侧密封腔的体积减小，并将其中的气体排出。在上述过程中，鼓包型面将会逐渐“升高”，使进气道喉道面积逐渐减小，以满足发动机的小流量需求。

进一步地，当飞机在飞行过程中的速度逐渐减小时(即飞机处于低速飞行状态)，进气道需要大流通面积。此时，对内侧密封腔充压，使内侧密封腔的体积增大；同时，在蒙皮连接带的作用下，外侧密封腔的体积减小，并将其中的气体排出。在上述过程中，鼓包型面将会逐渐“降低”，使进气道喉道面积逐渐增大，以满足发动机的大流量需求。

进一步地，当飞机在某一飞行速度下匀速飞行时，不再对内、外侧密封腔充压，通过密闭的方式保持腔内的气压不变。此时，鼓包型面将会始终处于某一特定位置，与当前飞行速度下发动机的流量需求相适应。

进一步地，当飞机在处于地面试车等状态下，进气道气动载荷为吸力时，对内侧密封腔充压，使密封腔内压力与外部气动载荷相平衡，使外侧柔性蒙皮能够紧贴基础型面，避免在气动载荷作用下变形。

本发明的有益效果是：提供一种内平衡自适应鼓包进气道结构设计方法，使进气道的鼓包型面能够在一定范围内往复改变形状，从而调节进气道喉道的面积，解决了常规鼓包进气道型面不可调节的问题，使进气道在不同飞行状态下都具有最优的气动性能和进发匹配特性，具有良好的工程适用性。

附图说明

图1是自适应鼓包进气道结构示意图；

图2是本发明内平衡自适应鼓包进气道结构设计方法示意图；

图3是用于内平衡自适应鼓包进气道的柔性蒙皮示意图；

其中，1-弹性胶膜、2-高弹纤维、2a-经向纤维、2b-纬向纤维。

图4是本发明中的内平衡自适应鼓包进气道变形驱动装置安装位置示意图；

图5是本发明中的内平衡自适应鼓包进气道变形驱动装置示意图；

图6是飞机处于高速飞行状态时，本发明中的自适应鼓包进气道的变形状态示意图；

图7是飞机处于低速飞行状态时，本发明中的自适应鼓包进气道的变形状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

鼓包进气道中的鼓包型面是一个经过气动设计的三维型面，如图1所示。在鼓包型面上，选取一定范围的区域作为变形区域。该变形区域的轮廓通常为椭圆形，也可以是圆形或者其它适宜的形状。在变形区域内，使用柔性蒙皮附着在鼓包进气道结构原有的金属蒙皮外表面上。在变形区域的边界，使用紧固件连接或胶接的方式将柔性蒙皮固定在鼓包进气道结构上，如图2所示。

柔性蒙皮由弹性胶膜1和高弹纤维2复合加工而成，其初始构型与鼓包进气道的基础型面一致，呈扁球壳形状，如图3所示。弹性胶膜1是由橡胶材料加工而成的、具有弹性的薄膜状结构。橡胶材料可以是硅橡胶、丁腈橡胶，也可以选择其它能够满足柔性蒙皮变形要求的橡胶。高弹纤维2作为柔性蒙皮的增强材料，由沿着椭圆形变形区域短轴方向的经向纤维2a，和沿着长轴方向的纬向纤维2b，通过交叉排布构成网状结构。在弹性胶膜1高温硫化的加工过程中，将高弹纤维2与弹性胶膜1一体成型，从而使高弹纤维2嵌入弹性胶膜1的内部。高弹纤维2可以是尼龙纤维、氨纶纤维等织物纤维，或者金属弹簧丝等金属纤维之中的一种或几种。

基础型面与外侧柔性蒙皮之间形成外侧密封腔，与内侧柔性蒙皮之间形成内侧密封腔。在基础型面的结构蒙皮内侧，设置变形驱动装置，其安装位置如图4所示，装置的组成结构如图5所示。

本实施例涉及内平衡自适应鼓包进气道的功能实现方法，具体过程如下：

1)外侧柔性蒙皮的大变形应变传感器布置

使用基于光纤光栅的大变形应变传感器对柔性蒙皮的应变进行测量。在外侧柔性蒙皮上选取若干个监测点，在监测点布置大变形应变传感器和位移传感器。为了能够更加精确地拟合出柔性蒙皮变形时的形状，可适当增加监测点的数量，通常每个监测点的间距为150～200mm。

2)外侧柔性蒙皮充压变形过程的地面标定

通过变形驱动装置对外侧密封腔充压，外侧柔性蒙皮在气体压力的作用下“升高”。在充压过程中，通过变形驱动装置中的压力传感器测量当前密封腔内的气体压力P，通过流量传感器测量充气管路中通过气体的流量Q；同时，通过大变形应变传感器测量柔性蒙皮各监测点的应变ε，通过位移传感器测量各监测点的位移D(即监测点与基础型面之间的距离)。

当柔性蒙皮变形至不同位置时，通过对上述参数的测量，可以推导出柔性蒙皮各监测点的位移与其它参数之间的函数关系：

D＝f(P，Q，ε)(1)

3)进气道喉道面积与发动机流量需求匹配关系的确定

根据自适应鼓包进气道的设计要求，按照进气道与发动机的流量匹配关系确定飞机处于不同飞行速度时发动机的流量需求，进而确定对应的进气道喉道面积，从而获得飞行速度与鼓包型面所处位置之间的对应关系。

4)飞行过程中鼓包型面的形状拟合

在飞机的飞行过程中，当外侧柔性蒙皮变形至某一状态时，通过各传感器对压力P、流量Q和应变ε等参数进行测量，并根据公式(1)即可确定外侧柔性蒙皮各监测点的当前位移。采用几何建模的方法，通过仿真得到外侧柔性蒙皮在当前状态下的形状，即可确定鼓包型面所处的位置。

5)鼓包型面的位移驱动

获取飞机在当前状态下的飞行速度，并根据步骤3)得到的对应关系，通过变形驱动装置驱动外侧柔性蒙皮向当前最佳的鼓包型面位置变形，从而调节进气道喉道的面积，使之与发动机的流量需求相匹配。

当飞机的飞行速度逐渐增大，飞机处于高速飞行状态时，进气道需要小流通面积。此时，对外侧密封腔充压，使外侧密封腔的体积增大；同时，在蒙皮连接带的作用下，内侧密封腔的体积减小，如图6所示。在这个充压过程中，鼓包型面将会逐渐升高，使得进气道喉道面积逐渐减小，以满足发动机的小流量需求。

当飞机的飞行速度逐渐减小，飞机处于低速飞行状态时，进气道需要大流通面积。此时，对内侧密封腔充压，使内侧密封腔的体积增大；同时，在蒙皮连接带的作用下，外侧密封腔的体积减小，如图7所示。在这个充压过程中，鼓包型面将会逐渐降低，使得进气道喉道面积逐渐增大，以满足发动机的大流量需求。

当飞机在某一飞行速度下匀速飞行时，不再对内、外侧密封腔充压，通过密封的方式保持腔内的气压不变。此时，鼓包型面将会始终处于某一特定位置，与当前飞行速度下发动机的流量需求相适应。

进一步地，当飞机在处于地面试车等状态下，进气道气动载荷为吸力时，对内侧密封腔充压，使密封腔内压力与外部气动载荷相平衡，使外侧柔性蒙皮能够紧贴基础型面，避免在气动载荷作用下变形。

Claims (1)

1.一种内平衡自适应鼓包进气道的结构设计方法，其特征为所述结构设计方法包括以下方面：

1)所述内平衡自适应鼓包进气道的鼓包型面上，选定一定范围的区域作为变形区域；在所述变形区域内，鼓包进气道的刚性金属结构蒙皮作为基础型面；所述基础型面的内、外两侧表面上均附着一层柔性蒙皮；

2)所述柔性蒙皮由弹性胶膜和高弹纤维复合而成；所述弹性胶膜作为基体材料，是由橡胶加工而成的、具有一定厚度和弹性的膜状结构，其作用是根据自适应鼓包进气道的设计要求，产生所需要的变形，并维持柔性蒙皮的表面形状；所述高弹纤维作为增强材料，由经向纤维和纬向纤维交叉排布，构成网状结构，并嵌入弹性胶膜的内部；所述高弹纤维可以随弹性胶膜一起变形，其作用是提高柔性蒙皮的刚度，使柔性蒙皮能够承受其表面的气动载荷；

3)所述内平衡自适应鼓包进气道的基础型面与外侧柔性蒙皮之间形成外侧密封腔，与内侧柔性蒙皮之间形成内侧密封腔；所述柔性蒙皮的初始形状与内平衡自适应鼓包进气道的基础型面一致；

4)所述内平衡自适应鼓包进气道带有变形驱动装置，该装置采用气体充压的方式利用充气泵向密封腔内充压使柔性蒙皮变形；利用蒙皮连接带实现内外密封腔体积的协调变化；利用阀门及管路控制气体流向；利用压力传感器及流量传感器获取压力及流量信息，以此为参数，控制柔性蒙皮向任意设计型面的变形；利用密封气体为柔性蒙皮提供足够的面外刚度；

5)在所述变形驱动装置的控制下，内平衡自适应鼓包进气道的外侧柔性蒙皮可以在基础型面与最高型面之间的范围内改变形状，内侧柔性蒙皮可以在基础型面与最低型面之间的范围内改变形状。