CN109667670B - 一种辅助超/高超声速二元进气道起动的涡控可调活门装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辅助超/高超声速二元进气道起动的涡控可调活门装置，包括：所述主旋转活门底部通过转轴铰接于进气道外压段底壁面上，通过背部角度调节支架实现主旋转活门在进气道外压段底壁面上旋转角度的调节，从而实现进气道内收缩比的调整；所述主旋转活门下部设置有多边形开口，且次滑动活门滑动连接于主旋转活门前部，通过次滑动活门的滑移实现主旋转活门上多边形开口的开度调整。本发明不仅可以通过主活门的灵活旋转实现进气道内收缩比的调节，同时还可通过控制次活门的开度，有效控制进气道的大规模分离涡，从而大大改善进气道的起动性能；不仅适用于开启式进气道起动过程调控，也适合进气道不起动之后的再起动过程的调控。
Description
技术领域
本发明涉及一种辅助超/高超声速二元进气道起动的涡控可调活门装置，属于高超声速进排气技术领域。
背景技术
进气道是吸气式超燃冲压发动机捕获、压缩空气以供燃烧室燃烧的重要部件。发动机要正常工作，进气道必须工作在起动状态。因此，进气道起动是采用超燃冲压发动机为动力的高超声速推进飞行器正常工作的基本前提。
高超声速进气道会因为攻角、侧滑角、燃烧室反压、边界层或者旋涡吞入等各种扰动而不起动。进气道一旦不起动，发动机就不能产生足够的推力、飞行器阻力急剧增加、燃烧室熄火，甚至导致飞行器失去控制而坠毁。因此，必须发展高超声速进气道可靠起动的相关技术，必须不惜一切代价防止进气道不起动、或者在进气道不起动后使其迅速再起动。
目前，主要有抽吸/吹除、加速起动和几何调节等方式使进气道重新起动。这些方式各有其优缺点：
(1)抽吸控制是目前地面试验和飞行试验采用最多的一种流动控制方法，它确实能有效改善进气道的起动性能，但在长时间高热流的恶劣工作环境和机体推进系统一体化设计概念之下，如何将高温低能的附面层排除仍然充满了困难和挑战；
(2)吹除控制最大的优点是可以根据工作情况控制射流强度，具有很强的可控性，但需要额外提供气源和压缩装置；
(3)加速起动，通常对于组合式动力装置，冲压发动机的进气道不起动后，可以采用火箭或涡喷发动机进行加速，但对于内收缩比比较大的高超声速进气道，加速起动必须加速到很高的马赫数才能重新再起动，而且对于内收缩比超过1.67的内收缩进气道，理论上不可能通过加速的方式实现自起动；
(4)几何调节，通过几何调节方式改变内收缩比，使得进气道内收缩比减小，进气道重新起动后再调整进气道几何构型到原来的几何构型。这种方式的缺点是控制系统较复杂，增加了推进系统的重量，增加了系统的复杂性、降低了它的可靠性。
总体上来说，迄今仍然缺少能可靠工作的大尺度高超声速进气道起动控制方法。这些方法都共同面临一个问题：进气道不起动过程和起动过程中，进气道存在大规模分离涡的吞吐现象，大规模分离区的存在加剧了进气道起动的困难。若能在可调活门的基础上，施加有效的分离涡控制措施，则可以大幅度提高进气道的起动性能。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种辅助超/高超声速二元进气道起动的涡控可调活门装置，通过调节主活门的旋转角度来控制进气道的流量，并通过主活门上开设的次滑动活门开度来控制起动过程中进气道内部的大规模分离涡，从而实现降低进气道起动马赫数、拓宽进气道工作范围、辅助进气道再起动的目的。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种辅助超/高超声速二元进气道起动的涡控可调活门装置，包括布置于进气道外压段的主旋转活门及布置于主旋转活门上的次滑动活门；
其中，所述主旋转活门底部通过转轴铰接于进气道外压段底壁面上，且主旋转活门背部设置有角度调节支架，通过角度调节支架实现主旋转活门在进气道外压段底壁面上旋转角度的调节，从而实现进气道内收缩比的调整；
所述主旋转活门下部设置有多边形开口，且次滑动活门滑动连接于主旋转活门前部，通过次滑动活门的滑移实现主旋转活门上多边形开口的开度调整。
本发明中活门机构在进气道起动后可以直接贴合在进气道壁面上，不会对流经进气道内表面的气流造成太多的干扰，从而使进气道内流动处于预设状态。
在利用活门辅助进气道起动时，首先旋转主活门至一定角度，减小进气道的内收缩比，辅助进气道起动，起动后慢慢旋转主活门，减小主活门与外压段壁面的角度直至主活门贴壁。根据双解区理论，若一定角度时进气道能够起动，尽管随着角度减小进气道内收缩比不断增大，但进气道会一直保持起动，从而实现进气道再起动的目标。
在主活门旋转过程中，通过灵活调节次活门的开闭程度，利用前方高速来流冲击抑制不起动过程大面积分离涡，从而实现对不起动分离涡的流动控制，且流动控制可以通过次活门的开闭程度可控调节。
进一步的，所述多边形开口为矩形和三角形的组合形状，这种不规则形状有利于增强对不起动分离涡的控制。多边形开口也可以在制造主活门的过程中根据分离涡大小灵活调整其形状和尺寸，实现了对分流涡可控调节的目标。
进一步的，所述次滑动活门通过两块侧板与主旋转活门滑动连接，且次滑动活门上布置有用于封闭两板间缝隙的顶板、底板。
进一步的，所述主旋转活门顶部设置有用于驱动次滑动活门上下滑移的直线往复电机，可灵活调节活门底部滑动活门的开度，从而实现控制活门后面大规模分离涡的目标。
进一步的，所述主旋转活门与进气道外压段底壁面之间旋转角度的调节范围是0°～θmax，其中，θmax为主旋转门所在的平面和进气道唇口贴合时，旋转活门与进气道底部壁面之间的夹角。
有益效果：本发明提供的一种辅助超/高超声速二元进气道起动的涡控可调活门装置，相对于现有技术，具有以下优点：1、活门机构在进气道正常起动后直接贴合在外压壁面上，不干扰进气道的气动型面；2、可通过主活门的灵活旋转来调节进气道内收缩比，有利于进气道的起动；3、在活门旋转过程中，可灵活调节主活门上次滑动活门的开度，利用前方高速来流冲击抑制回流区，从而实现对分离涡的控制，更有利于进气道再起动。
附图说明
图1为本发明实施例中主旋转活门旋转一定角度时的轴测图；
图2为本发明实施例中主旋转活门旋转一定角度时的侧视图；
图3为本发明实施例中主旋转活门零角度贴壁时的侧视图；
图4为本发明实施例中主旋转活门零角度贴壁时的局部放大图；
图5为本发明实施例中次滑动活门开度为零时主旋转活门的轴测图；
图6为本发明实施例中次滑动活门开度为零时主旋转活门的顶部示意图；
图7为本发明实施例中次滑动活门开度为零时主旋转活门的背部示意图；
图8为本发明实施例中次滑动活门最大开度时主旋转活门的轴测图；
图9为本发明实施例中次滑动活门最大开度时主旋转活门的背部示意图；
图中包括：1、进气道，2、次滑动活门，3、主旋转活门，4、多边形开口，5、进气道外压段底壁面，6、进气道唇口，7、角度调节支架，8、外流场来流，9、侧板，10、底板，11、顶板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1-4所示为一种辅助超/高超声速二元进气道起动的涡控可调活门装置，包括布置于进气道1外压段的主旋转活门3及布置于主旋转活门3上的次滑动活门2；
其中，所述主旋转活门3底部通过转轴铰接于进气道外压段底壁面5上，且主旋转活门3背部设置有角度调节支架7，通过角度调节支架7实现主旋转活门3在进气道外压段底壁面5上旋转角度的调节(角度调节支架可以采用两端铰接的伸缩机构实现)，从而实现进气道1流量的控制；
如图5-9所示，所述主旋转活门3下部设置有多边形开口4，且次滑动活门2滑动连接于主旋转活门3前部，通过次滑动活门2的滑移实现主旋转活门3上多边形开口4的开度调整。
本实施例中，所述多边形开口4为矩形和三角形的组合不规则形状，有利于增强对分离涡的控制，滑动活门开度也可以根据分离涡大小灵活调整，实现对分离涡调节完全可控的目标；所述次滑动活门2通过两块侧板9与主旋转活门3滑动连接，且次滑动活门2上布置有用于实现密封的顶板11、底板10。
所述主旋转活门3顶部设置有用于驱动次滑动活门2上下滑移的直线往复电机，实现主活门底部开口的开闭控制，从而对活门后分离涡灵活调控；所述主旋转活门3与进气道外压段底壁面5之间旋转角度的调节范围是0°～θmax，其中，θmax为主旋转活门3所在的平面和进气道唇口6贴合时主旋转活门3与进气道外压段底壁面5之间的夹角。
本发明可以用于接力点进气道刚刚打开时的辅助起动和不起动之后的再起动控制，具体实施方式如下：
1、对于接力点进气道刚刚打开时的辅助起动，包括以下步骤：
1.1)在冲压发动机工作之前，主旋转活门旋转至最大位置θmax处，将进气道进口封死，此时，主旋转活门与进气道底壁面之间的夹角最大，其表面形成激波，次旋转活门关闭，气流不进入进气道；
1.2)到了接力点，次活门先打开一定开度，然后开始逐步旋转主活门(主旋转活门与进气道底壁面之间的夹角减小)，进气道逐步打开，与此同时，主活门上方的气流和次活门的气流共同进入进气道，主活门上方的气流主要是建立进气道起动的流场波系，而流经次活门的气流则用于冲刷活门后的分离涡，加速进气道的起动过程；
1.3)主活门和次活门均完全贴进气道壁面，进气道辅助起动结束。
2、对于进气道不起动之后的再起动，包括以下步骤：
2.1)最开始，进气道陷入不起动，分离区被推出进气道；
2.2)逐步打开主活门(主旋转活门和进气道底壁面之间的旋转角度增大)，为了不在主活门前后堆积大量的分离区，把次活门提前打开一定开度；
2.3)主活门逐渐打开，进入进气道的流量逐步减小，当主活门旋转至某一角度，此时进气道不起动造成的流道堵塞得到解除，进气道起动，随后主活门又往反方向逐渐关闭；此过程中，进气道又逐渐打开，进入进气道的流量又逐渐增加，同时，次活门进入的气流逐渐冲刷不起动的分离涡，从而加速进气道再起动过程，完成进气道流场的重建；
2.4)活门最终旋转到壁面重合，进气道重新起动。
本发明可以通过主活门的灵活旋转实现进气道内收缩比的调节，还可以通过控制次活门的开度，有效控制进气道的大规模分离涡，从而大大改善进气道的起动性能；不仅适用于开启式进气道起动过程调控，也适合进气道不起动之后的再起动过程的调控。
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。
Claims (4)
1.一种辅助超/高超声速二元进气道起动的涡控可调活门装置，其特征在于，包括布置于进气道(1)外压段的主旋转活门(3)及布置于主旋转活门(3)上的次滑动活门(2)；
其中，所述主旋转活门(3)底部通过转轴铰接于进气道外压段底壁面(5)上，且主旋转活门(3)背部设置有角度调节支架(7)，通过角度调节支架(7)实现主旋转活门(3)在进气道外压段底壁面(5)上旋转角度的调节，从而实现进气道(1)内收缩比的调整；
所述主旋转活门(3)下部设置有多边形开口(4)，且次滑动活门(2)滑动连接于主旋转活门(3)前部，通过次滑动活门(2)的滑移实现主旋转活门(3)上多边形开口(4)的开度调整；
所述次滑动活门(2)通过两块侧板(9)与主旋转活门(3)滑动连接，且次滑动活门(2)上布置有用于实现密封的顶板(11)、底板(10)。
2.根据权利要求1所述的一种辅助超/高超声速二元进气道起动的涡控可调活门装置，其特征在于，所述多边形开口(4)为矩形和三角形的组合形状。
3.根据权利要求1所述的一种辅助超/高超声速二元进气道起动的涡控可调活门装置，其特征在于，所述主旋转活门(3)顶部设置有用于驱动次滑动活门(2)上下滑移的直线往复电机。
4.根据权利要求1所述的一种辅助超/高超声速二元进气道起动的涡控可调活门装置，其特征在于，所述主旋转活门(3)与进气道外压段底壁面(5)之间旋转角度的调节范围是0°～θmax，其中，θmax为主旋转活门(3)所在的平面和进气道唇口(6)贴合时主旋转活门(3)与进气道外压段底壁面(5)之间的夹角。
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