CN112607061B - 一种高超声速飞行器一体化半水滴式头罩 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航天飞行器技术领域，尤其是涉及一种高超声速飞行器一体化半水滴式头罩，该头罩包括底板和设置在所述底板上的导流结构，所述底板和所述导流结构之间设置有容置腔，以使飞行器位于所述容置腔；且沿所述头罩头部至尾部的方向，所述底板和所述导流结构均为逐渐向上弯曲的弧形面。呈圆锥构型的头罩与进气道唇口流畅缝合，进而实现头罩的一体化气动布局构型，导流机构覆盖进气道并且边缘具有后掠前缘，前缘的轮廓外形遵循圆锥构型产生的激波前沿的形状。因此，本发明的头罩不仅有效地降低了飞行器的气动阻力和重量，而且融合了空气动力学原理和弹射技术，在风洞模拟19‑30Km高度、36‑100KPa动压条件下可与飞行器安全分离。
Description
技术领域
本发明涉及航天飞行器技术领域，尤其是涉及一种高超声速飞行器一体化半水滴式头罩。
背景技术
头罩(或整流罩)用于保护卫星及其它有效载荷，以防止卫星受气动力、气动加热及声振等有害环境的影响，是航天飞行器的重要组成部分，也是是航天飞行器标志性关键技术之一。当火箭、导弹或其他航天飞行器在大气层中高速飞行时，头罩不但能够可靠地保护其内部有效载荷的功能，以防止其受到气动力、气动热及声振等有害环境的影响，而且可以使飞行器具有良好的空气动力学特性，减小飞行器的飞行阻力。
头罩一般为蚌壳式(两半)结构，由端头、前锥段、圆筒段、倒锥段和纵向及横向分离机构等组成。根据运载任务的不同，每种型号的运载火箭都具有一种或多种形状的头罩，如单星罩、双星罩、多星罩等。
如今，飞行器得到越来越多人的青睐，运用也越来越广泛，如航空、安保、摄影和娱乐等。由于飞行器需要电机持续运行才能飞行在空中，而人们对飞行器连续飞行的时间需求也越来越大，因而也对飞行器的散热功能和飞行阻力提出了更高的要求。
但是，目前飞行器的电机头罩在飞行过程中散热表现欠佳，而且存在占用空间较大，减阻效率低的问题。因此，开发一种新型的高超声速飞行器一体化半水滴式头罩，以解决上述问题，是本领域技术人员亟需解决的一项技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高超声速飞行器一体化半水滴式头罩，该头罩有效降低了飞行器的气动阻力和重量。
本发明提供一种高超声速飞行器一体化半水滴式头罩，包括底板和设置在所述底板上的导流结构，所述底板和所述导流结构之间设置有容置腔，以使飞行器位于所述容置腔；
且沿所述头罩头部至尾部的方向，所述底板和所述导流结构均为逐渐向上弯曲的弧形面。
进一步，所述底板的水平投影为由类三角形和四边形组成的类五边形结构；
沿所述头罩头部至尾部的方向，所述底板水平投影为四边形的部分为逐渐向上弯曲的弧形面；
所述底板水平投影为类三角形的部分与所述导流结构靠近所述头罩头部的一端相贴合。
进一步，所述导流结构包括第一前侧壁、第二前侧壁、第一后侧壁、第二后侧壁、上面板和下面板；
所述第一前侧壁和所述第二前侧壁、所述第一后侧壁和所述第二后侧壁分别沿所述头罩的对称轴设置在所述头罩的两侧，且所述第一前侧壁和第二前侧壁均为类三角形结构，所述第一后侧壁和所述第二后侧壁均为类五边形结构；
所述上面板和所述下面板的水平投影均为类菱形结构；
所述底板水平投影为类三角形的部分与所述下面板靠近所述头罩头部的一端相贴合。
进一步，所述下面板靠近所述头罩头部一端的第一侧边和第二侧边之间的夹角为25-35°；
所述下面板靠近所述头罩尾部一端的第三侧边和第四侧边之间的夹角为65-75°；
所述下面板靠近所述头罩中部的第五侧边和第六侧边之间的夹角为35-50°。
进一步，所述上面板靠近所述头罩头部一端的第七侧边和第八侧边之间的夹角为15-25°，且所述第七侧边和所述第八侧边靠近所述头罩头部的一端均为向外凸出的流线。
进一步，所述上面板靠近所述头罩尾部一端的第九侧边和第十侧边之间的夹角为35-45°，且所述第九侧边和所述第十侧边靠近所述头罩尾部的一端均为向上翘起的流线。
进一步，所述第一侧边和第二侧边之间的夹角为29-30°；
所述第三侧边和所述第四侧边之间的夹角为69-70°；
所述第五侧边和所述第六侧边之间的夹角为42-43°。
进一步，所述第七侧边和所述第八侧边之间的夹角为21-22°。
进一步，所述第九侧边和所述第十侧边之间的夹角为39-40°。
本发明的一体化半水滴式头罩，与现有技术相比，具有以下优点：
本发明基于空气动力学乘波体设计技术和流线追踪技术，设计的整体呈圆锥构型的头罩包括底板和设置在底板上的导流结构，并且沿头罩头部至尾部的方向，底板和导流结构均为逐渐向上弯曲的弧形面。呈圆锥构型的头罩与进气道唇口流畅缝合，进而实现头罩的一体化气动布局构型，导流机构覆盖进气道并且边缘具有后掠前缘，前缘的轮廓外形遵循圆锥构型产生的激波前沿的形状。因此，本发明的头罩不仅有效地降低了飞行器的气动阻力和重量，而且融合了空气动力学原理和弹射技术，在风洞模拟19-30Km高度、36-100KPa动压条件下可与飞行器安全分离。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明一体化半水滴式头罩的示意图；
图2为本发明一体化半水滴式头罩的水平投影图；
图3为本发明一体化半水滴式头罩的A-A剖面图；
图4为本发明一体化半水滴式头罩的B-B剖面图。
附图标记说明：
1：底板；2：导流结构；3：第一前侧壁；4：第二前侧壁；5：第一后侧壁；6：第二后侧壁；7：上面板；8：第一侧边；9：第二侧边；10：第三侧边；11：第四侧边；12：第五侧边；13：第六侧边；14：第七侧边；15：第八侧边；16：第九侧边；17：第十侧边。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-4所示，本发明提供一种高超声速飞行器一体化半水滴式头罩，包括底板1和设置在所述底板1上的导流结构2，所述底板1和所述导流结构2之间设置有容置腔，以使飞行器位于所述容置腔；且沿所述头罩头部至尾部的方向，所述底板1和所述导流结构2均为逐渐向上弯曲的弧形面。
本发明以圆锥构型和进气道构型作为设计基础，应用特征线理论，分别构建高超声圆锥构型轴对称基准流场和圆锥构型/进气道基准流场，同时应用流线追踪技术，设计的整体呈圆锥构型的头罩包括底板1和设置在底板1上的导流结构2，并且沿头罩头部至尾部的方向，底板1和导流结构2均为逐渐向上弯曲的弧形面。呈圆锥构型的头罩与进气道唇口流畅缝合，进而实现头罩的一体化气动布局构型，导流机构覆盖进气道并且边缘具有后掠前缘，前缘的轮廓外形遵循圆锥构型产生的激波前沿的形状。因此，本发明的头罩不仅有效地降低了飞行器的气动阻力和重量，其质量小于50kg，风洞试验测量减阻18.24％，对静稳定性等动力/力矩影响较小，而且融合了空气动力学原理和弹射技术，在风洞模拟19-30km高度、36-100kPa动压条件下可与飞行器安全分离。
在上述技术方案的基础之上，进一步，所述底板1的水平投影为由类三角形和四边形组成的类五边形结构；沿所述头罩头部至尾部的方向，所述底板1水平投影为四边形的部分为逐渐向上弯曲的弧形面；所述底板1水平投影为类三角形的部分与所述导流结构2靠近所述头罩头部的一端相贴合。
具体地，如图2所示，本发明头罩的底板1水平投影为由类三角形和四边形组成的类五边形结构，类三角形是因为头罩头部为近似为弹头形状的圆锥形结构，因此，本发明头罩的前缘轮廓外形遵循圆锥构型产生的激波前沿的形状，进而有效降低了气动阻力。
在上述技术方案的基础之上，进一步优选地，所述导流结构2包括第一前侧壁3、第二前侧壁4、第一后侧壁5、第二后侧壁6、上面板7和下面板；所述第一前侧壁3和所述第二前侧壁4、所述第一后侧壁5和所述第二后侧壁6分别沿所述头罩的对称轴设置在所述头罩的两侧，且所述第一前侧壁3和第二前侧壁4均为类三角形结构，所述第一后侧壁5和所述第二后侧壁6均为类五边形结构；所述上面板7和所述下面板的水平投影均为类菱形结构；所述底板1水平投影为类三角形的部分与所述下面板靠近所述头罩头部的一端相贴合。
具体地，导流结构2包括第一前侧壁3、第二前侧壁4、第一后侧壁5、第二后侧壁6、上面板7和下面板，其中，第一前侧壁3和第二前侧壁4、第一后侧壁5和第二后侧壁6分别沿所述头罩的对称轴设置在头罩的两侧，并且第一前侧壁3和第二前侧壁4均为类三角形结构，这里的第一前侧壁3和第二前侧壁4之所以呈类三角形结构是因为头罩头部为近似为弹头形状的圆锥形结构；而第一后侧壁5和第二后侧壁6均为类五边形结构，是因为沿头罩头部至尾部的方向，导流结构2为逐渐向上弯曲的弧形面；上面板7和下面板的水平投影均为类菱形结构一方面是因为头罩头部为近似为弹头形状的圆锥形结构，另一方面是因为导流结构2的尾部为逐渐向上弯曲的弧形面。因此，该特定结构的头罩一方面满足了头罩与飞行器分离时的解锁角要求，另一方面限制来气道通流，形成了局部高压区，可利用空气动力原理实现头罩的分离。
在上述优选技术方案的基础之上，进一步，所述下面板靠近所述头罩头部一端的第一侧边8和第二侧边9之间的夹角为25-35°；所述下面板靠近所述头罩尾部一端的第三侧边10和第四侧边11之间的夹角为65-75°；所述下面板靠近所述头罩中部的第五侧边12和第六侧边13之间的夹角为35-50°；
所述上面板7靠近所述头罩头部一端的第七侧边14和第八侧边15之间的夹角为15-25°，且所述第七侧边14和所述第八侧边15靠近所述头罩头部的一端均为向外凸出的流线；
所述上面板7靠近所述头罩尾部一端的第九侧边16和第十侧边17之间的夹角为35-45°，且所述第九侧边16和所述第十侧边17靠近所述头罩尾部的一端均为向上翘起的流线。
如图2所示，根据飞行器具体的续航速度以及流线追踪技术设计第一侧边8和第二侧边9之间的夹角为25-35°，第三侧边10和第四侧边11之间的夹角为65-75°，第五侧边12和第六侧边13之间的夹角为35-50°，第七侧边14和第八侧边15之间的夹角为15-25°，第九侧边16和第十侧边17之间的夹角为35-45°。并且，根据头罩圆锥构型的前缘轮廓外形及头罩与进气道唇口流畅的缝合要求，第七侧边14和第八侧边15靠近头罩头部的一端均为向外凸出的流线，第九侧边16和第十侧边17靠近头罩尾部的一端均为向上翘起的流线。上述特定角度构成的头罩既可完全覆盖进气道，又满足了激波前沿的形状要求，因此，该头罩有效降低了气动阻力。
在本发明的一个具体实施例中，所述第一侧边8和第二侧边9之间的夹角优选为29-30°；所述第三侧边10和所述第四侧边11之间的夹角优选为69-70°；所述第五侧边12和所述第六侧边13之间的夹角优选为42-43°；所述第七侧边14和所述第八侧边15之间的夹角优选为21-22°；所述第九侧边16和所述第十侧边17之间的夹角优选为39-40°。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种高超声速飞行器一体化半水滴式头罩，其特征在于，包括底板(1)和设置在所述底板(1)上的导流结构(2)，所述底板(1)和所述导流结构(2)之间设置有容置腔，以使飞行器位于所述容置腔；
且沿所述头罩头部至尾部的方向，所述底板(1)和所述导流结构(2)均为逐渐向上弯曲的弧形面；
所述底板(1)的水平投影为由类三角形和四边形组成的类五边形结构；
沿所述头罩头部至尾部的方向，所述底板(1)水平投影为四边形的部分为逐渐向上弯曲的弧形面；
所述底板(1)水平投影为类三角形的部分与所述导流结构(2)靠近所述头罩头部的一端相贴合；
所述导流结构(2)包括第一前侧壁(3)、第二前侧壁(4)、第一后侧壁(5)、第二后侧壁(6)、上面板(7)和下面板；
所述第一前侧壁(3)和所述第二前侧壁(4)、所述第一后侧壁(5)和所述第二后侧壁(6)分别沿所述头罩的对称轴设置在所述头罩的两侧，且所述第一前侧壁(3)和第二前侧壁(4)均为类三角形结构，所述第一后侧壁(5)和所述第二后侧壁(6)均为类五边形结构；
所述上面板(7)和所述下面板的水平投影均为类菱形结构；
所述底板(1)水平投影为类三角形的部分与所述下面板靠近所述头罩头部的一端相贴合。
2.根据权利要求1所述的头罩，其特征在于，所述下面板靠近所述头罩头部一端的第一侧边(8)和第二侧边(9)之间的夹角为25-35°；
所述下面板靠近所述头罩尾部一端的第三侧边(10)和第四侧边(11)之间的夹角为65-75°；
所述下面板靠近所述头罩中部的第五侧边(12)和第六侧边(13)之间的夹角为35-50°。
3.根据权利要求2所述的头罩，其特征在于，所述上面板(7)靠近所述头罩头部一端的第七侧边(14)和第八侧边(15)之间的夹角为15-25°，且所述第七侧边(14)和所述第八侧边(15)靠近所述头罩头部的一端均为向外凸出的流线。
4.根据权利要求3所述的头罩，其特征在于，所述上面板(7)靠近所述头罩尾部一端的第九侧边(16)和第十侧边(17)之间的夹角为35-45°，且所述第九侧边(16)和所述第十侧边(17)靠近所述头罩尾部的一端均为向上翘起的流线。
5.根据权利要求4所述的头罩，其特征在于，所述第一侧边(8)和第二侧边(9)之间的夹角为29-30°；
所述第三侧边(10)和所述第四侧边(11)之间的夹角为69-70°；
所述第五侧边(12)和所述第六侧边(13)之间的夹角为42-43°。
6.根据权利要求5所述的头罩，其特征在于，所述第七侧边(14)和所述第八侧边(15)之间的夹角为21-22°。
7.根据权利要求6所述的头罩，其特征在于，所述第九侧边(16)和所述第十侧边(17)之间的夹角为39-40°。
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