CN112572810A - 一种进气道边界层分离消除装置及飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种进气道边界层分离消除装置及飞行器，该边界层分离消除装置包括机身底板、进气道前体压缩板、唇罩板、鼓包组件和驱动装置。机身底板设置在进气道内，进气道前体压缩板由进气道的进气口向机身底板处延伸，且与机身底板靠近进气口的一端相连接，唇罩板设置在机身底板的下方，与机身底板构成进气通道，鼓包组件包括鼓包，鼓包设置在进气通道内，用于接收入射的唇罩激波，驱动装置设置在机身底板上，用于驱动鼓包在进气通道内沿轴向往复运动。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中边界层分离消除装置附加阻力大、结构复杂、有效工作区间小、无法满足宽速域工作需求的技术问题。

Description

一种进气道边界层分离消除装置及飞行器

技术领域

本发明涉及进气道流动控制技术领域，尤其涉及一种进气道边界层分离消除装置及飞行器。

背景技术

进气道是吸气式飞行器的重要组成部分，其主要功能是对来流进行预压缩，为发动机提供高压低速的均匀来流。激波/边界层干扰现象广泛存在于高速飞行器进气道中，其中进气道唇罩激波与肩部边界层间的干扰往往较为强烈，在较高飞行速度下甚至会出现显著的边界层分离，这不仅会导致较大的总压损失，严重时还可能堵塞进气道，缩小进气道的可用工作包线。此外，由于唇罩激波的强度和入射位置与飞行速度密切相关，因此对于宽速域工作的高速飞行器，唇罩激波与肩部边界层间的干扰区域在整个飞行包线范围内会发生较大的变化。因此，有必要对进气道激波/边界层干扰引起的边界层分离流动进行有效控制，以保证进气道在宽速域范围内处于起动状态并保持良好的工作性能。

型面鼓包控制方法是主要的边界层控制方法之一，但目前的型面鼓包控制结构存在附加阻力大、结构复杂、控制效果有限等缺点，型面鼓包有效性受来流工况的影响，当唇罩激波不能入射在鼓包外凸面时，鼓包不能充分发挥作用。

发明内容

本发明提供了一种进气道边界层分离消除装置及飞行器，能够解决现有技术中边界层分离消除装置附加阻力大、结构复杂、控制范围小、无法满足宽速域工作需求的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种进气道边界层分离消除装置。边界层分离消除装置包括：机身底板，机身底板设置在进气道内；进气道前体压缩板，进气道前体压缩板由进气道的进气口向机身底板处延伸，且与机身底板靠近进气口的一端相连接；唇罩板，唇罩板设置在机身底板的下方，与机身底板构成进气通道；鼓包组件，鼓包组件包括鼓包，鼓包设置在进气通道内，用于接收入射的唇罩激波；驱动装置，驱动装置设置在机身底板上，用于驱动鼓包在进气通道内沿轴向往复运动。

进一步地，鼓包组件还包括至少一个鼓包连杆，机身底板上具有第一空心槽，鼓包连杆一端与鼓包连接，另一端穿过第一空心槽与驱动装置相连接，驱动装置通过鼓包连杆驱动鼓包在进气通道内沿轴向往复运动。

进一步地，驱动装置包括至少一个驱动电机和至少一个变结构机构，变结构机构一端与驱动电机连接，另一端与鼓包连杆连接。

进一步地，变结构机构包括曲柄、转接连杆、滑块组件和滑轨，曲柄一端与驱动电机固定连接，另一端与转接连杆的一端铰链连接，转接连杆另一端与滑块组件铰链连接，滑轨安装在机身底板上，以约束滑块组件沿滑轨运动。

进一步地，变结构机构还包括固定连杆，滑块组件包括滑块本体和至少一个凸起连接部，凸起连接部设置在滑块本体上，固定连杆穿过凸起连接部和转接连杆并与凸起连接部和转接连杆铰链连接。

进一步地，滑轨上具有第二空心槽，滑块本体上具有第一通孔，鼓包连杆依次穿过第一空心槽、第二空心槽和第一通孔后铰链连接在固定连杆上。

进一步地，驱动装置还包括电机支座，驱动电机通过电机支座固定在机身底板上。

进一步地，转接连杆的一端具有U型连接部，凸起连接部的数量为两个，两个凸起连接部对称设置，鼓包连杆铰链连接在U型连接部内，U型连接部铰链连接在两个凸起连接部内。

进一步地，唇罩板为水平唇罩板。

根据本发明的另一方面，提供了一种飞行器。飞行器的进气道内设置本发明前述提出的的边界层分离消除装置。

应用本发明的技术方案，提供了一种进气道边界层分离消除装置及飞行器，该边界层分离消除装置根据飞行器在不同速度下进气道来流工况，通过机身底板上的驱动装置驱动鼓包组件在唇罩板与机身底板之间的进气通道内沿轴向往复运动，拓宽了鼓包控制的有效工作区间，保证了唇罩激波始终入射在鼓包上，以对边界层分离进行抑制，能够实现进气道在较宽的飞行速度范围内稳定工作，保证进气道在较宽飞行范围内均能获得较优的综合性能，且该装置附加阻力小，质量小，结构简单，控制方便，易于实现。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中边界层分离消除装置附加阻力大、结构复杂、有效工作区间小、无法满足宽速域工作需求的技术问题。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的包含边界层消除装置的进气道轴测图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的包含边界层消除装置的进气道正视图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的基于鼓包的进气道边界层消除装置部分结构示意图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的机身底板示意图；

图5示出了根据本发明的具体实施例提供的鼓包示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、机身底板；20、进气道前体压缩板；30、唇罩板；40、进气通道；50、鼓包组件；51、鼓包；52、鼓包连杆；60、驱动装置；61、驱动电机；62、变结构机构；621、曲柄；622、转接连杆；622a、U型连接部；623滑块组件；6231、滑块本体；6232、凸起连接部；624、滑轨；624a、第二空心槽；625、固定连杆；63、电机支座；70、肩部。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1和图2所示，根据本发明的具体实施例提供了一种进气道边界层分离消除装置，边界层分离消除装置包括：机身底板10、进气道前体压缩板20、唇罩板30、鼓包组件50和驱动装置60。机身底板10设置在进气道内。进气道前体压缩板20由进气道的进气口向机身底板10处延伸，且与机身底板10靠近进气口的一端相连接。唇罩板30设置在机身底板10的下方，与机身底板10构成进气通道40。鼓包组件50包括鼓包51，鼓包51设置在进气通道40内，用于接收入射的唇罩激波。驱动装置60设置在机身底板10上，用于驱动鼓包51在进气通道40内沿轴向往复运动。

各主要部件的作用如下：进气道前体压缩板20产生外压缩激波对来流进行压缩，唇罩板30产生唇罩激波对来流进一步压缩，鼓包51对射入唇口之后激波而导致的边界层分离进行抑制，机身底板10为驱动装置60提供固定。

应用此种配置方式，提供了一种进气道边界层分离消除装置，该边界层分离消除装置根据飞行器在不同速度下的进气道来流工况，通过机身底板上的驱动装置60驱动鼓包51在唇罩板30与机身底板10之间的进气通道40内沿轴向往复运动，拓宽了鼓包51控制的有效工作区间，保证了唇罩激波始终入射在鼓包51上，以对边界层分离进行抑制，能够实现进气道在较宽的飞行速度范围内稳定工作，保证进气道在较宽飞行范围内均能获得较优的综合性能，且该装置附加阻力小，质量小，结构简单，控制方便，易于实现。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中边界层分离消除装置附加阻力大、结构复杂、有效工作区间小、无法满足宽速域工作需求的技术问题。

本发明提供的进气道边界层分离消除装置，对于唇罩激波与肩部70边界层干扰而引起的分离问题，基于鼓包51的被动流动控制方法，实现对分离区的有效抑制，对于不同的来流条件，通过机械装置改变鼓包51的位置，拓宽鼓包51控制的有效工作区间，保证进气道在较宽的飞行速度范围内均能获得较优的进气性能，从而稳定工作。鼓包51分为前端和后端两个部分，采用多项式对鼓包51的轮廓进行建模。鼓包51的控制原理为：通过鼓包51前端弱压缩波束的预增压效应和后端膨胀波束的消波效应等来减小激波入射点附近的逆压强梯度，避免外压缩激波进入唇口之后反射而导致的内压缩段边界层分离，从而缓解甚至抑制边界层分离。鼓包51在飞行速度增大过程中的位置变化过程为：初始阶段，鼓包51位于进气通道40内靠近肩部70的位置。当飞行速度较低时，唇罩激波强度较弱，由于鼓包51高度较小，带来的附加阻力很小；当飞行速度为设计速度时，外压缩激波交汇于唇罩板30的唇口，反射的唇罩激波恰好入射在肩部70；随着飞行速度继续增大，外压缩激波射入唇口之后反射将导致内压缩段边界层分离，此时通过驱动装置60控制鼓包51沿进气通道40轴向向后移动，使反射的唇罩激波始终入射在鼓包51的外凸面，从而实现对边界层分离的有效抑制。

作为本发明的一个具体实施例，如图5所示，鼓包组件50还包括至少一个鼓包连杆52，如图4所示，机身底板10上具有第一空心槽，鼓包连杆52一端与鼓包51连接，另一端穿过第一空心槽与驱动装置60相连接，驱动装置60通过鼓包连杆52驱动鼓包51在进气通道40内沿轴向往复运动，以应对唇罩激波入射位置的改变。

进一步地，驱动装置60包括至少一个驱动电机61和至少一个变结构机构62，变结构机构62一端与驱动电机61连接，另一端与鼓包连杆52连接。驱动电机61通过变结构机构62带动鼓包连杆52在第一空心槽内沿进气通道40轴向往复运动，从而带动鼓包51在进气通道40内沿轴向往复运动。在本实施例中，驱动电机61和变结构机构62的数量可根据实际需要选择，例如如图1所示，驱动电机61的数量为两个，变结构机构62的数量也为两个，对称设置在机身底板10上。

为了将驱动电机61固定在机身底板10上，如图1所示，驱动装置60还包括电机支座63，驱动电机61通过电机支座63固定在机身底板10上。

作为本发明的一个具体实施例，如图3所示，变结构机构62包括曲柄621、转接连杆622、滑块组件623和滑轨624，曲柄621一端与驱动电机61固定连接，另一端与转接连杆622的一端铰链连接，转接连杆622另一端与滑块组件623铰链连接，滑轨624安装在机身底板10上，以约束滑块组件623沿滑轨624运动。

进一步地，为了将转接连杆622与滑块组件623铰链连接，如图3所示，变结构机构62还包括固定连杆625，滑块组件623包括滑块本体6231和至少一个凸起连接部6232，凸起连接部6232设置在滑块本体6231上，固定连杆625穿过凸起连接部6232和转接连杆622并与凸起连接部6232和转接连杆622铰链连接。滑块本体6231由滑轨624端部的开口插入滑轨624，以将滑块组件623的运动约束为沿机身底板10表面的水平往复滑动。

应用此种配置方式，驱动电机61的电机轴与曲柄621固定连接，驱动电机61开启后，电机轴带动曲柄621转动，曲柄621的转动进一步带动转接连杆622发生偏转，转接连杆622的偏转带动固定连杆625运动，固定连杆625的运动再进一步带动与之铰链连接的滑块组件623运动。与此同时，滑块组件623受到滑轨624的约束，因此，滑块组件623最终在固定连杆625的带动下在机身底板10上沿滑轨624水平往复滑动。在飞行器飞行时，随着飞行速度的增加，唇罩激波的入射点逐渐从肩部70向进气通道40内移动，在图2所示视角下，驱动电机61的电机轴逆时针转动控制鼓包51向右移动，使唇罩激波入射到鼓包51的外凸面上，以抑制边界层分离。

进一步地，如图3和图4所示，滑轨624上具有第二空心槽624a，滑块本体6231上具有第一通孔，鼓包连杆52依次穿过第一空心槽、第二空心槽624a和第一通孔后铰链连接在固定连杆625上。应用此种配置方式，固定连杆625、鼓包组件50与滑块组件623连接为一体，三者运动方向保持一致，因此，鼓包组件52可在固定连杆625的带动下沿机身底板10进行往复运动，即沿进气通道40的轴向往复运动。

此外，作为本发明的一个具体实施例，如图3和图5所示，转接连杆622的一端具有U型连接部622a，凸起连接部6232的数量为两个，两个凸起连接部6232对称设置，鼓包连杆52铰链连接在U型连接部622a内，U型连接部622a铰链连接在两个凸起连接部6232内。应用此种配置方式，转接连杆622传递给固定连杆625的作用力较为均衡，固定连杆625两端同步运动，进一步地，滑块组件623与滑轨624接触的两端在固定连杆625的带动下也同步运动，避免了滑块组件623与滑轨624之间的卡顿现象，从而确保鼓包51在进气通道40内顺畅移动。

进一步地，由于本发明具有较强的流动控制能力，唇罩板30配置为水平唇罩板。应用此种配置方式，在气动方面，可以减小气动阻力，有效降低飞行器的外部气动阻力，在结构方面，能够大大减轻结构和防热的设计难度，减轻结构质量。

根据本发明的另一方面，提供了一种飞行器，飞行器的进气道内设置如上提供的边界层分离消除装置。

应用此种配置方式，提供了一种飞行器，通过在进气道内设置如上提供的边界层分离消除装置，确保反射的唇罩激波始终能够被本发明的边界层分离消除装置所处理，从而抑制边界层分离。

综上所述，本发明提供了一种进气道边界层分离消除装置及飞行器，该边界层分离消除装置根据飞行器在不同速度下的进气道来流工况，通过机身底板上的驱动装置驱动鼓包在唇罩板与机身底板之间的进气通道内沿轴向往复运动，拓宽了鼓包控制的有效工作区间，保证了唇罩激波始终入射在鼓包上，以对边界层分离进行抑制，能够实现进气道在较宽的飞行速度范围内稳定工作，保证进气道在较宽飞行范围内均能获得较优的综合性能，且该装置附加阻力小，质量小，结构简单，控制方便，易于实现。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中边界层分离消除装置附加阻力大、结构复杂、有效工作区间小、无法满足宽速域工作需求的技术问题。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种进气道边界层分离消除装置，其特征在于，所述边界层分离消除装置包括：

机身底板(10)，所述机身底板(10)设置在所述进气道内；

进气道前体压缩板(20)，所述进气道前体压缩板(20)由所述进气道的进气口向所述机身底板(10)处延伸，且与所述机身底板(10)靠近所述进气口的一端相连接；

唇罩板(30)，所述唇罩板(30)设置在所述机身底板(10)的下方，与所述机身底板(10)构成进气通道(40)；

鼓包组件(50)，所述鼓包组件(50)包括鼓包(51)，所述鼓包(51)设置在所述进气通道(40)内，用于接收入射的唇罩激波；

驱动装置(60)，所述驱动装置(60)设置在所述机身底板(10)上，用于驱动所述鼓包(51)在所述进气通道(40)内沿轴向往复运动。

2.根据权利要求1所述的边界层分离消除装置，其特征在于，所述鼓包组件(50)还包括至少一个鼓包连杆(52)，所述机身底板(10)上具有第一空心槽，所述鼓包连杆(52)一端与所述鼓包(51)连接，另一端穿过所述第一空心槽与所述驱动装置(60)相连接，所述驱动装置(60)通过所述鼓包连杆(52)驱动所述鼓包(51)在所述进气通道(40)内沿轴向往复运动。

3.根据权利要求2所述的边界层分离消除装置，其特征在于，所述驱动装置(60)包括至少一个驱动电机(61)和至少一个变结构机构(62)，所述变结构机构(62)一端与所述驱动电机(61)连接，另一端与所述鼓包连杆(52)连接。

4.根据权利要求3所述的边界层分离消除装置，其特征在于，所述变结构机构(62)包括曲柄(621)、转接连杆(622)、滑块组件(623)和滑轨(624)，所述曲柄(621)一端与所述驱动电机(61)固定连接，另一端与所述转接连杆(622)的一端铰链连接，所述转接连杆(622)另一端与所述滑块组件(623)铰链连接，所述滑轨(624)安装在所述机身底板(10)上，以约束所述滑块组件(623)沿所述滑轨(624)运动。

5.根据权利要求4所述的边界层分离消除装置，其特征在于，所述变结构机构(62)还包括固定连杆(625)，所述滑块组件(623)包括滑块本体(6231)和至少一个凸起连接部(6232)，所述凸起连接部(6232)设置在所述滑块本体(6231)上，所述固定连杆(625)穿过所述凸起连接部(6232)和所述转接连杆(622)并与所述凸起连接部(6232)和所述转接连杆(622)铰链连接。

6.根据权利要求5所述的边界层分离消除装置，其特征在于，所述滑轨(624)上具有第二空心槽(624a)，所述滑块本体(6231)上具有第一通孔，所述鼓包连杆(52)依次穿过所述第一空心槽、所述第二空心槽(624a)和所述第一通孔后铰链连接在所述固定连杆(625)上。

7.根据权利要求6所述的边界层分离消除装置，其特征在于，所述驱动装置(60)还包括电机支座(63)，所述驱动电机(61)通过所述电机支座(63)固定在所述机身底板(10)上。

8.根据权利要求7所述的边界层分离消除装置，其特征在于，所述转接连杆(622)的一端具有U型连接部(622a)，所述凸起连接部(6232)的数量为两个，两个所述凸起连接部(6232)对称设置，所述鼓包连杆(52)铰链连接在所述U型连接部(622a)内，所述U型连接部(622a)铰链连接在两个所述凸起连接部(6232)内。

9.根据权利要求8所述的边界层分离消除装置，其特征在于，所述唇罩板(30)为水平唇罩板。

10.一种飞行器，其特征在于，所述飞行器的进气道内设置权利要求1至9中任一项所述的边界层分离消除装置。

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