CN107191273B - 一种刚性/柔性组合调节的连续可调进气道及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种刚性/柔性组合调节的连续可调进气道，通过变几何组件中刚性活动组件和柔性变形部件的组合调节可以控制进气道内收缩比，适应不同飞行马赫数对于进气道内收缩比的需求。飞行马赫数上升时，驱动装置推动滑动杆向进气道进口方向运动，进气道内收缩比变大，提升进气道总压临界性能；当飞行马赫数下降时，驱动装置拉动滑动杆向远离进气道进口方向运动，进气道内收缩比变小，进气道起动能力提升。通过调节进气道内收缩比的大小，在较宽工作包线范围内解决常规进气道面临的低速起动能力与高速性能之间的矛盾。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器设计领域，尤其是一种超声速飞行器进气道。
背景技术
超声速进气道作为高速飞行器的关键部件之一，不仅肩负着流量捕获与调节、来流动能转化与利用等功能，还在调节出口流速大小与均匀性及隔离上下游扰动等方面起着重要作用。同时，由于超声速进气道是连接推进系统和飞行器的重要部件，因而其也会对飞行器的气动力特性、结构重量及隐身性能产生显著影响。据分析，对于飞行马赫数在2.0以下的常规航空涡轮发动机而言，进气道总压恢复系数每上升1％，可使其推力增加1.5％，单位燃油消耗率下降2.5％，而对于更高马赫工作的冲压发动机，其总推力的50％以上来源于复杂进排气系统。因此，为吸气式推进系统配备性能优良的进气道，对整个推进系统乃至整个飞行器综合性能的提高具有重要的现实意义。
随着航空航天技术的发展，目前对超声速飞行器在较宽工作马赫数下的综合性能提出了更高的要求，为此发动机必须要在宽马赫数、大攻角范围内可靠工作且获得较高性能。然而，传统发动机进气道均基于某一特定马赫数设计，其几何结构不可变。对于定几何的进气道，若其设计马赫数较高，则其在低马赫数下会因内收缩比过大而难以起动；反之，若其设计马赫数较低，则其在高马赫数飞行时会因内收缩比较小而使喉道马赫数较大，从而在结尾激波处产生较大损失，带来进气道总压恢复性能低的问题。因此，为满足进气道在宽马赫数下稳定高效工作的需求，有必要通过变几何方法匹配其内收缩比与工作马赫数。
对于二元进气道，其结构较简单，可通过设置铰链、转轴等方式对进气道内收缩比进行调节。然而，采用这些调节方式时，型面之间常常会产生缝隙，为了保证缝隙不至太大而使进气道内壁面产生明显不连续，内收缩比调节范围有限，因而限制飞行器的工作马赫数范围。此外，这些调节方式较少考虑进气道内的激波/边界层干扰问题。
发明内容
本发明提供一种连续可调进气道，具有适应宽马赫数范围的变几何调节方式，以根据进气道的实际工况对内收缩比进行调节，从而使进气道在宽工作马赫数范围内保持可靠、高效。
为达上述目的，本发明刚性/柔性结合的连续可调进气道可采用如下技术方案：一种刚性/柔性组合调节的连续可调进气道，包括进气道唇罩、位于进气道唇罩两侧的侧壁、位于进气道唇罩前下方的前体压缩面、连接前体压缩面后端并向后延伸的内压段、连接内压段后端并向后延伸的喉道段、连接喉道段后端并向后延伸的扩压段、位于喉道段背对唇罩一侧的转动杆、承载转动杆且自前向后延伸的滑动杆、驱动滑动杆前后移动的驱动装置；所述内压段的前端与前体压缩面的后端铰接；所述喉道段的前端与内压段的后端铰接；所述扩压段为柔性材料；转动杆的前端铰接于喉道段背对唇罩的一侧，转动杆的后端铰接于滑动杆上；当滑动杆向前移动时，转动杆的前端顶住喉道段向唇罩移动使喉道段与唇罩之间的距离变小；当滑动杆向后移动时，转动杆的前端拉回喉道段使喉道段与唇罩之间的距离变大。
有益效果：与现有技术相比，本发明进气道中通过设置通过铰接及柔性材料配合而形成的可以变形的喉道段、内压段、扩压段。喉道段、内压段、扩压段共同形成内压面，并通过滑动杆带动转动杆的转动而使内压面与唇罩之间的距离拉大或者缩小，由此实现对进气道内收缩比的调节。可根据飞行器工作马赫数对进气道内收缩比进行调节，从而使进气道在较宽马赫数范围内都具有良好的性能。
而上述进气道的控制方法可采用以下技术方案：
当工作马赫数发生变化时，内压段、喉道段、扩压段均在转动杆的带动下出现移动、变形，内压段面对唇罩的表面、喉道段面对唇罩的表面、扩压段(11)面对唇罩的表面共同形成内压面；进气道在低马赫数起动过程时，滑动杆向后移动带动转动杆将内压面与唇罩之间的距离拉大；进气道在高马赫数飞行状态时，滑动杆向前移动带动转动杆将内压面与唇罩之间的距离缩小，由此实现对进气道内收缩比的调节。
具体的，进气道变马赫数的范围为M1-M2，其中M1<M2；
(1)当工作马赫数低于M1时，进气道驱动装置带动滑动杆位于最后端位置，此时内压面与唇罩之间的距离最大，内收缩比最小，进气道获得最佳起动能力；
(2)当工作马赫数达M1且上升时，进气道驱动装置驱动滑动杆向前移动，从而带动转动杆转动使进气道内压面与唇罩之间的距离变小，内收缩比不断增加，满足来流压缩量增加的需求；
(3)当工作马赫数达M2时，进气道驱动装置带动滑动杆位于最前端位置，此时内压面与唇罩之间的距离最小，内收缩比最大，能满足高马赫数工作时大压缩量的需求。
附图说明
图1是本发明刚性/柔性结合的连续可调进气道的剖面结构示意图。
图2是本发明中内压段、喉道段密封装置示意图。
图3是本发明中扩压段的立体图。
图4是本发明刚性/柔性结合的连续可调进气道的典型工作状态图。
其中图4(a)是飞行马赫数分别为2时滑动杆向进气道进口方向移动的示意图；、图4(b)飞行马赫数分别为3时滑动杆向进气道进口方向移动的示意图、图4(c)是飞行马赫数分别为4时滑动杆向进气道进口方向移动的示意图；从图4(a)至图4(c)，进气道喉道为不断缩小的状态。
具体实施方式
请参阅图1，本发明公开了一种刚性/柔性组合调节的连续可调进气道，包括进气道唇罩4、位于进气道唇罩两侧的侧壁5、位于进气道唇罩4前下方的前体压缩面6、连接前体压缩面6后端并向后延伸的内压段9、连接内压段9后端并向后延伸的喉道段10、连接喉道段10后端并向后延伸的扩压段11、位于喉道段10背对唇罩4一侧的转动杆12、承载转动杆且自前向后延伸的滑动杆13、驱动滑动杆13前后移动的驱动装置14、承载滑动杆13的滑轨16、承载滑轨16及驱动装置14的底座8。所述底座8自前向后延伸。喉道段10连同扩压段11与底座8之间形成空间，所述转动杆12、滑动杆13、滑轨16、驱动装置14均位于该空间中。所述底座8的后端设有位于上述空间内的出口段20；所述出口段20面对扩压段11后端的一面上设有导轨161，所述扩压段11的后端通过导轨161与出口段20滑动连接。
所述内压段9的前端与前体压缩面6的后端铰接；所述喉道段10的前端与内压段9的后端铰接；所述扩压段11为柔性材料，更具体的，扩压段11为柔性弹簧钢材料，具有较好的变形和恢复能力，以保证其能通过变形来满足进气道整体几何变化的需要，；转动杆的前端铰接于喉道段10背对唇罩的一侧，转动杆的后端铰接于滑动杆13上；当滑动杆向前移动时，转动杆的前端顶住喉道段向唇罩移动使喉道段与唇罩之间的距离变小；当滑动杆向后移动时，转动杆的前端拉回喉道段使喉道段与唇罩之间的距离变大。
在本实施方式中，为了进一步的能够对喉道段与唇罩之间的距离进行控制，所述转动杆设置为两个且一前一后设置，位于前方的转动杆前端铰接于喉道段10前端，位于后方的转动杆前端铰接于喉道段10后端。所述两转动杆12不限于等长，且其安装位置也不限于平行，即可以通过更改两转动杆12的长度和安装角度满足喉道段10的位置及形态需求。所述内压段9、喉道段10、两转动杆12和滑动杆13共同组成刚性活动的部分，所述扩压段11为柔性变形的部分。通过刚性活动部分和柔性变形部分的组合调节，可以有效地控制进气道内收缩比，适应不同飞行马赫数对于进气道内收缩比的需求，并通过改变进气道内通道几何型面，实现调节内收缩比的目标。这种刚性活动与柔性变形组合调节的方式，既能保证内通道壁面基本连续，又能满足内压面的型面需求，从而使进气道在较宽的工作包线内满足性能最优。
所述唇罩4上设置有第一多缝放气带171，直接与外界相连。进气道前体压缩面6两侧侧板7作用为限制横向溢流。所述前体压缩面6的两侧设有两个侧板7；所述内压段9上均设置有第二多缝放气带172，内压段9背对唇罩一侧设置有稳压腔18，第二多缝放气带172与稳压腔18连通，稳压腔18面对底座8的一侧设置有限流喉道19。此第二多缝放气带172、稳压腔18、限流喉道19的组合与唇罩4上的第一多缝放气带171共同工作满足抑制进气道中流动分离的需求。
由于变几何需求，本发明对运动部件加装密封装置。请参阅图2及图3，所述进气道内压段9、喉道段10两侧分别设置有一条凹槽21，其中嵌有石墨盘根22，扩压段11下侧则粘贴有橡胶板23。所述石墨盘根22实现对变几何进气道内压面15与侧壁5之间缝隙的密封。
结合上述的进气道结构，对于该连续可调进气道的控制方法，可以结合以下实施方式操作。请参阅图4(a)、图4(b)、图4(c)所示，所述前体压缩面6一般由多个斜面组成，在工作时会产生多道前体斜激波26，以此对来流进行初步压缩。而所述唇罩内表面也会诱导出一道或多道唇罩激波27，并在进气道内收缩段28中不断反射形成激波系，以对来流进行进一步减速增压，在进气道喉道29处获得适当速度与压力的气流。进入进气道喉道29部位的气流在下游高反压的作用下产生结尾激波30。此时，进气道内收缩比对于其起动与性能有重要意义。若内收缩比过小则进气道内收缩段28激波系较弱，无法将喉道29处气流减速增压至适当程度，造成进气道整体性能低下，若内收缩比过大，则喉道29位置形成高压，使进气道内收缩段28处激波系被破坏，进而使进气道陷入不起动状态。因此，当进气道的工作马赫数发生变化时，进气道前体斜激波26角度发生变化，进入进气道内收缩段28的气流速度、压力发生变化，此时内压段9、喉道段10、扩压段11均在滑动杆驱动装置14的带动下出现移动、变形，保证进气道在低马赫数起动过程中，内压面15整体呈现向下收缩状态。故，当工作马赫数发生变化时，内压段9、喉道段10、扩压段11均在转动杆的带动下出现移动、变形，内压段9面对唇罩的表面、喉道段10面对唇罩的表面、扩压段11面对唇罩的表面共同形成内压面；进气道在低马赫数起动过程时，滑动杆向后移动带动转动杆将内压面与唇罩之间的距离拉大；进气道在高马赫数飞行状态时，滑动杆向前移动带动转动杆将内压面与唇罩之间的距离缩小，由此实现对进气道内收缩比的调节。所述刚性/柔性结合的连续可调进气道在宽马赫数工作时将采用如下变形方案：进气道变马赫数的范围为M1-M2，其中M1<M2。
(1)当工作马赫数低于M1时，进气道驱动装置(14)带动滑动杆位于最后端位置，此时内压面与唇罩之间的距离最大，内收缩比最小，进气道获得最佳起动能力；
(2)当工作马赫数达M1且上升时，进气道驱动装置(14)驱动滑动杆向前移动，从而带动转动杆转动使进气道内压面(15)与唇罩之间的距离变小，内收缩比不断增加，满足来流压缩量增加的需求；
(3)当工作马赫数达M2时，进气道驱动装置(14)带动滑动杆位于最前端位置，此时内压面与唇罩之间的距离最小，内收缩比最大，能满足高马赫数工作时大压缩量的需求，提供较好的临界性能。
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 (8)
1.一种刚性/柔性组合调节的连续可调进气道，其特征在于：包括进气道唇罩(4)、位于进气道唇罩两侧的侧壁(5)、位于进气道唇罩(4)前下方的前体压缩面(6)、连接前体压缩面(6)后端并向后延伸的内压段(9)、连接内压段(9)后端并向后延伸的喉道段(10)、连接喉道段(10)后端并向后延伸的扩压段(11)、位于喉道段(10)背对唇罩(4)一侧的转动杆(12)、承载转动杆且自前向后延伸的滑动杆(13)、驱动滑动杆(13)前后移动的驱动装置(14)；
所述内压段(9)的前端与前体压缩面(6)的后端铰接；所述喉道段(10)的前端与内压段(9)的后端铰接；所述扩压段(11)为柔性材料；转动杆的前端铰接于喉道段(10)背对唇罩的一侧，转动杆的后端铰接于滑动杆(13)上；当滑动杆向前移动时，转动杆的前端顶住喉道段向唇罩移动使喉道段与唇罩之间的距离变小；当滑动杆向后移动时，转动杆的前端拉回喉道段使喉道段与唇罩之间的距离变大；
唇罩(4)上设置有第一多缝放气带(171)，直接与外界相连；所述前体压缩面(6)的两侧设有两个侧板(7)；所述内压段(9)上均设置有第二多缝放气带(172)，内压段(9)背对唇罩一侧设置有稳压腔(18)，第二多缝放气带(172)与稳压腔(18)连通，稳压腔(18)面对底座(8)的一侧设置有限流喉道(19)。
2.根据权利要求1所述的刚性/柔性组合调节的连续可调进气道，其特征在于：还包括承载滑动杆(13)的滑轨(16)、承载滑轨(16)及驱动装置(14)的底座(8)，所述底座(8)自前向后延伸；喉道段(10)连同扩压段(11)与底座(8)之间形成空间，所述转动杆(12)、滑动杆(13)、滑轨(16)、驱动装置(14)均位于该空间中。
3.根据权利要求2所述的刚性/柔性组合调节的连续可调进气道，其特征在于：所述底座(8)的后端设有位于上述空间内的出口段(20)；所述出口段(20)面对扩压段(11)后端的一面上设有导轨(161)，所述扩压段(11)的后端通过导轨(161)与出口段(20)滑动连接。
4.根据权利要求1所述的刚性/柔性组合调节的连续可调进气道，其特征在于：所述转动杆为两个且一前一后设置，位于前方的转动杆前端铰接于喉道段(10)前端，位于后方的转动杆前端铰接于喉道段(10)后端。
5.根据权利要求1所述的刚性/柔性组合调节的连续可调进气道，其特征在于：内压段(9)、喉道段(10)两侧分别设置有一条凹槽(21)，凹槽(21)中嵌有石墨盘根(22)，扩压段(11)面对底座的一侧粘贴有橡胶板(23)。
6.根据权利要求1所述的刚性/柔性组合调节的连续可调进气道，其特征在于：所述扩压段(11)为柔性弹簧钢材料。
7.一种根据权利要求1至6中任一项所述连续可调进气道的控制方法，其特征在于：当工作马赫数发生变化时，内压段(9)、喉道段(10)、扩压段(11)均在转动杆的带动下出现移动、变形，内压段(9)面对唇罩的表面、喉道段(10)面对唇罩的表面、扩压段(11)面对唇罩的表面共同形成内压面；进气道在低马赫数起动过程时，滑动杆向后移动带动转动杆将内压面与唇罩之间的距离拉大；进气道在高马赫数飞行状态时，滑动杆向前移动带动转动杆将内压面与唇罩之间的距离缩小，由此实现对进气道内收缩比的调节。
8.根据权利要求7所述连续可调进气道的控制方法，其特征在于：进气道变马赫数的范围为M1-M2，其中M1<M2；
(1)当工作马赫数低于M1时，进气道驱动装置(14)带动滑动杆位于最后端位置，此时内压面与唇罩之间的距离最大，内收缩比最小，进气道获得最佳起动能力；
(2)当工作马赫数达M1且上升时，进气道驱动装置(14)驱动滑动杆向前移动，从而带动转动杆转动使进气道内压面(15)与唇罩之间的距离变小，内收缩比不断增加，满足来流压缩量增加的需求；
(3)当工作马赫数达M2时，进气道驱动装置(14)带动滑动杆位于最前端位置，此时内压面与唇罩之间的距离最小，内收缩比最大，能满足高马赫数工作时大压缩量的需求。
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