CN107091158B - 低外阻超/高超声速进气道及激波/边界层干扰控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低外阻超/高超声速进气道，在超/高超声速进气道入口布置二维鼓包并在迎风面与背风面的内凹处布置局部放气缝/孔阵列，同时将鼓包下方的放气腔分隔为两个子腔，并采用电磁铁和带有折角的金属板来实现对两个放气子腔开闭的控制。通过控制两个放气子腔的开闭，本发明能够适应进气道工作马赫数和姿态角变化带来的激波强度和入射点位置变化，获得对唇罩激波/边界层干扰导致的边界层分离的最佳控制能力，对于拓宽低外阻超/高超声速进气道的工作范围、提高总压恢复系数具有显著的效果。并且，由于本发明具有较强的流动控制能力，允许进气道采用水平唇罩设计，为此可以有效降低飞行器的外部气动阻力。

Description

低外阻超/高超声速进气道及激波/边界层干扰控制方法

技术领域

本发明涉及高速飞行器的流动控制技术领域，尤其是一种针对低外阻超声速、高超声速的进气道设计。

本发明还提供了上述进气道的唇罩激波/边界层干扰的宽域控制方法。

背景技术

斜激波/边界层干扰现象广泛存在于超声速、高超声速飞行器进气道中，尤其是存在于进气道口部的唇罩激波/边界层干扰，其诱导的进气道口部边界层气流分离是进气道内通道流动组织中的一个突出难题，它不仅导致了显著的总压损失，使得进气道耐反压能力大幅下降，严重时还可能堵塞进气道喉道，使进气道陷入不起动状态，缩小进气道的可用工作包线。这一问题在低外阻设计的超声速、高超声速进气道中尤为明显，在这类进气道中，为了达到降低进气道外阻的目的，其唇罩压缩角一般会取的较大，但是这势必会增强进气道口部唇罩激波的强度，加剧唇罩激波/边界层干扰的问题。同时由于唇罩激波强度与入射位置与飞行马赫数和姿态角密切相关，而超声速、高超声速工作特性使得这类进气道一般都具有较宽的工作马赫数范围和姿态角范围，因此在整个飞行包线范围内唇罩激波的强度与入射位置均会发生较大的变化，使得这类进气道口部流场更加复杂。因此，必须对低外阻进气道唇罩激波/边界层干扰进行有效控制。

目前，针对激波/边界层干扰现象的控制主要采用开缝放气、加装涡流发生器以及壁面二维鼓包等手段进行控制。然而，此类常规控制方法虽然能够取得一定的控制效果，但也存在明显的不足。例如：开缝放气手段通过大量泄除边界层内低能流实现对流动分离的控制的同时带来了附加放气阻力大、热防护负担重、捕获流量损失等问题；加装涡流发生器的控制方法控制能力相对较弱，且涡流发生器本身结构较为脆弱，在高速气流的冲击下容易损坏，同时在较高马赫数下还存在烧蚀问题；壁面二维鼓包通过自身曲面产生的预增压效应和加速效应能够有效控制发生在鼓包外凸面上的边界层分离，但是当激波/边界层干扰发生于鼓包内凹面时鼓包控制效果较为有限。

因此，需要针对宽域工作的低外阻超声速、高超声速进气道发展一种控制范围宽广、抑制分离能力强的唇罩激波/边界层干扰控制方法，以根据进气道的实际工况对激波/边界层干扰特性进行控制，从而在宽范围内保持对边界层分离的高效抑制。

发明内容

为有效抑制低外阻超声速/高超声速进气道中具有可变多区特征的强唇罩激波/边界层干扰现象，本发明提供了一种低外阻超/高超声速进气道。

同时，本发明还提供了上述低外阻超/高超声速进气道的激波/边界层干扰控制方法。

为实现上述目的，本发明提供的低外阻超/高超声速进气道可采用如下技术方案：

一种低外阻超/高超声速进气道，包括前体压缩面、进气道唇罩、在进气道入口下壁面布置有向进气道内凸起的二维壁面鼓包、在二维壁面鼓包迎风面的内凹段设置有前放气缝/孔阵列、在二维壁面鼓包背风面内凹段设置有后放气缝/孔阵列；所述二维壁面鼓包下方设计有放气腔及位于放气腔内的隔板，隔板将放气腔分为位于前放气缝/孔阵列下方的上游放气子腔和位于后放气缝/孔阵列下方的下游放气子腔，上游放气子腔的前壁面上设有前电磁铁，下游放气子腔的后壁面上设有后电磁铁，放气腔的底板为一个金属板，所述金属板的中间部位通过铰链固定在放气腔隔板上。

有益效果：

本发明低外阻超/高超声速进气道，通过在二维壁面鼓包下方设置有两个独立子腔的放气腔并在鼓包迎风面以及背风面局部设置与放气子腔相连的放气缝/孔阵列，并在放气腔下方设置有控制其开闭的带有折角的金属板，根据进气道的工作马赫数和姿态角变化，通过电磁铁控制金属板位置控制鼓包表面放气区域的切换，实时对唇罩激波/边界层干扰多种控制方法的组合控制，从而实现对较宽的工作包线范围内强唇罩激波/边界层干扰的良好控制。为此，本发明的采用对于拓宽低外阻超声速/高超声速进气道的工作范围、提高总压恢复系数具有显著的效果，并且由于本发明具有较强的控制能力，允许进气道在设计时采用更大的唇罩压缩角，从而在总体设计上可以用更低外阻的唇罩设计，有效降低飞行器阻力。另外本发明还具有结构简单、易于实现等优点。

本发明提供的上述低外阻超/高超声速进气道的激波/边界层干扰控制方法可采用如下技术方案：

当进气道在设计马赫数附近工作时，唇罩激波/边界层干扰现象的位置位于二维壁面鼓包的外凸部分，此时，前电磁铁工作而后电磁铁关闭，控制金属板关闭前放气子腔，开启后放气子腔，将鼓包背风侧边界层内低能流通过后放气缝/孔阵列排出，减少进气道扩压段入口边界层厚度，提高进气道耐反压能力；

当飞行马赫数降低时，唇罩激波/边界层干扰现象的位置向进气道外移动并位于鼓包迎风侧内凹段，此时前电磁铁关闭，后电磁铁开启，控制金属板的位置，开启前放气子腔并关闭后放气子腔，将边界层分离包内的低能流通过鼓包迎风面内凹部分的前放气缝/孔阵列泄除，抑制边界层分离；

当飞行马赫数增加时，唇罩激波/边界层干扰现象的位置向进气道内移动，当激波/边界层干扰现象位于鼓包背风侧内凹段时，此时后电磁铁关闭，前电磁铁开启，改变金属板的位置，开启后放气子腔并关闭前放气子腔，将边界层分离包内的低能流通过鼓包背风面内凹部分的后放气缝/孔阵列泄除，实现对边界层分离的抑制。

附图说明

图1是本发明低外阻超/高超声速进气道剖面结构示意图。

图2、图3、图4是采用本发明低外阻超/高超声速进气道唇罩激波/边界层干扰的高效宽域控制方法的进气道的工作状态图。

其中图2为当唇罩激波/边界层干扰发生于鼓包外凸部分，前方放气子腔关闭后方放气子腔开启时的状态图。

图3为飞行马赫数降低，唇罩激波/边界层干扰发生于鼓包迎风侧内凹部分时，前方放气子腔开启时的状态图。

图4为当飞行马赫数增加，唇罩激波/边界层干扰发生于鼓包背风侧内凹部分时，前方放气子腔关闭后方放气子腔开启时的状态图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明公开了一种低外阻超/高超声速进气道，包括前体压缩面1、进气道唇罩2、在进气道入口下壁面布置有向进气道内凸起的二维壁面鼓包3、在二维壁面鼓包3迎风面的内凹段设置有前放气缝/孔阵列4、在二维壁面鼓包背风面内凹段设置有后放气缝/孔阵列5；所述二维壁面鼓包3下方设计有放气腔及位于放气腔内的隔板6，隔板6将放气腔分为位于前放气缝/孔阵列4下方的上游放气子腔7和位于后放气缝/孔阵列5下方的下游放气子腔8，上游放气子腔7的前壁面上设有前电磁铁9，下游放气子腔8的后壁面上设有后电磁铁10，放气腔的底板为一个金属板11，所述金属板11的中间部位通过铰链12固定在放气腔隔板6上。前放气缝/孔阵列4与上游放气子腔7连通，后放气缝/孔阵列5与下游放气子腔8连通。

所述进气道前体压缩面1由2～4级压缩斜板/曲板组成，所述进气道唇罩2具有较大的唇罩角并采用一级或两级压缩设计，当唇罩2为两级压缩时，其中一级压缩角取值远大于二级压缩角，因此，第一级唇罩激波诱导的激波/边界层干扰现象在进气道口部流动中占主导，也是需要控制的重点。

所述二维壁面鼓包3的长度与工作包线内唇罩激波移动距离相当，且通过调节安装位置使二维壁面鼓包3始终位于唇罩激波移动范围内。二维壁面鼓包3的起始位置位于唇罩激波15入射壁面的最上游位置，二维壁面鼓包3的结束位置位于唇罩激波15入射下壁面的最下游位置。

本发明的低外阻超/高超声速进气道唇罩激波/边界层干扰的高效宽域控制方法，可根据超/高超声速进气道的工作马赫数和姿态角变化通过控制放气腔下方带有折角的金属板11的位置实现不同放气区域的切换，从而实现多种流动控制手段相结合，壁面放气区域可控。在进气道工作过程中产生的具体作用，请参阅图2，所述前体压缩面1一般由多个斜面组成，在工作时会产生多道斜激波13，并且在压缩面上会形成逐渐发展变厚的前体边界层14，所述进气道的唇罩2也会诱导出一道或者多道唇罩激波15。唇罩激波15与前体边界层14相互作用，形成了一处或者多处激波/边界层干扰现象16，但是这些干扰现象以第一道唇罩激波/边界层干扰为主导，为了避免导致显著的流动损失和不稳定现象，对第一道唇罩激波/边界层干扰现象进行控制。由于唇罩激波15的位置会随着工作条件的不同而显著变化，为了实现对唇罩激波/边界层干扰的有效控制，二维壁面鼓包3的长度与唇罩激波15的移动范围的长度一致，并在鼓包迎风面与背风面的内凹段分别设有放气缝/孔阵列将边界层低能流引入鼓包下方放气腔，放气腔被隔板6分割为两个子腔7、8，并可以通过带有折角的金属板控制两个子腔的开、闭。当进气道的工作马赫数和姿态角发生变化时，唇罩激波边界层干扰会随之移动，此时金属板11在放气腔前端和后端的电磁铁9、10的控制下改变位置，实现对放气子腔的7、8的启闭调节，亦即实现了对放气特性的调节，从而在宽广的工作包线范围内获得多种控制手段对唇罩激波/边界层干扰起到较好的控制效果。进一步，具体包括三种情况：

(1)如图2所示，进气道在设计马赫数附近工作时，唇罩激波/边界层干扰现象16的位置位于鼓包外凸部分，鼓包可以有效控制唇罩激波/边界层干扰导致的边界层分离，此时，放气腔前方的电磁铁9工作而后方电磁铁10关闭，控制放气腔下方弯曲金属板11关闭前方放气子腔7，并开启后方放气子腔8。将鼓包背风侧边界层内部分低能流通过放气缝/孔阵列排出，降低进气道扩压段(隔离段)17入口边界层厚度，提高进气道耐反压能力；

(2)如图3所示，当飞行马赫数降低时，唇罩激波/边界层干扰现象16位置向进气道外移动并位于鼓包迎风侧内凹段，此时壁面鼓包已无法有效控制边界层分离，因此放气腔前方电磁铁9关闭而后方电磁铁10开启，改变弯曲金属板11的位置，开启前方放气子腔7并关闭后方放气子腔8，将边界层分离包内的低能流经鼓包迎风面内凹部分放气缝/孔4泄除，抑制边界层分离。

(3)如图4所示，当飞行马赫数增加时，唇罩激波/边界层干扰现象16的位置向进气道内移动，当激波/边界层干扰现象16为鼓包背风侧内凹段时，此时放气腔后方电磁铁10关闭而前方电磁铁9开启，改变弯曲金属板11的位置，开启后方放气子腔8并关闭前方放气子腔7，将边界层分离包内的低能流经鼓包背风面内凹部分放气缝/孔5泄除，实现对边界层分离的抑制。

本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种低外阻超/高超声速进气道，包括前体压缩面(1)、进气道唇罩(2)、放气腔；其特征在于：在进气道入口下壁面布置有向进气道内凸起的二维壁面鼓包(3)、在二维壁面鼓包(3)迎风面的内凹段设置有前放气缝/孔阵列(4)、在二维壁面鼓包背风面内凹段设置有后放气缝/孔阵列(5)；所述二维壁面鼓包(3)下方设置所述放气腔及位于放气腔内的隔板(6)，隔板(6)将放气腔分为位于前放气缝/孔阵列(4)下方的上游放气子腔(7)和位于后放气缝/孔阵列(5)下方的下游放气子腔(8)，上游放气子腔(7)的前壁面上设有前电磁铁(9)，下游放气子腔(8)的后壁面上设有后电磁铁(10)，放气腔的底板为一个金属板(11)，所述金属板(11)的中间部位通过铰链(12)固定在放气腔隔板(6)上。

2.根据权利要求1所述的低外阻超/高超声速进气道，其特征在于：唇罩(2)采用一级水平唇罩或两级压缩，当唇罩(2)为两级压缩时，一级压缩角取值大于二级压缩角。

3.根据权利要求2所述的低外阻超/高超声速进气道，其特征在于：二维壁面鼓包(3)的起始位置位于唇罩激波(15)入射壁面的最上游位置，二维壁面鼓包(3)的结束位置位于唇罩激波(15)入射下壁面的最下游位置。

4.根据权利要求3所述的低外阻超/高超声速进气道，其特征在于：所述前放气缝/孔阵列(4)与上游放气子腔(7)连通，后放气缝/孔阵列(5)与下游放气子腔(8)连通。

5.根据权利要求1所述的低外阻超/高超声速进气道，其特征在于：当前电磁铁(9)工作且后电磁铁(10)不工作时，金属板(11)关闭放气子腔(7)并实现密封；当后电磁铁(10)工作而前电磁铁(9)不工作时，金属板(11)关闭放气子腔(8)并实现密封。

6.一种根据权利要求1至5中任一项所述低外阻超/高超声速进气道的激波/边界层干扰控制方法，其特征在于：

当进气道在设计马赫数附近工作时，唇罩激波/边界层干扰现象(16)的位置位于二维壁面鼓包(3)的外凸部分，此时，前电磁铁(9)工作而后电磁铁(10)关闭，控制金属板(11)关闭前放气子腔(7)，开启后放气子腔(8)，将鼓包背风侧边界层内低能流通过后放气缝/孔阵列(5)排出，减少进气道扩压段(17)入口边界层厚度，提高进气道耐反压能力；

当飞行马赫数降低时，唇罩激波/边界层干扰现象(16)的位置向进气道外移动并位于鼓包迎风侧内凹段，此时前电磁铁(9)关闭，后电磁铁(10)开启，控制金属板(11)的位置，开启前放气子腔(7)并关闭后放气子腔(8)，将边界层分离包内的低能流通过鼓包迎风面内凹部分的前放气缝/孔阵列(4)泄除，抑制边界层分离；

当飞行马赫数增加时，唇罩激波/边界层干扰现象(16)的位置向进气道内移动，当激波/边界层干扰现象(16)位于鼓包背风侧内凹段时，此时后电磁铁(10)关闭，前电磁铁(9)开启，改变金属板(11)的位置，开启后放气子腔(8)并关闭前放气子腔(7)，将边界层分离包内的低能流通过鼓包背风面内凹部分的后放气缝/孔阵列(5)泄除，实现对边界层分离的抑制。