CN117536726A - 一种高超声速进气道及自适应喘振控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高超声速进气道及自适应喘振控制方法，通过在进气道下壁面开设泄流口和注压口，同时在滑轨上安装带弹簧的移动滑块实现进气道喘振自适应控制。当高超声速进气道下游压力增高时，结尾激波前传，激波串的高压驱动着移动滑块前移，进气道下壁面泄流腔开启，结尾激波前传至泄流腔进口时被遏止在该处，进气道前体波系未被破坏，进气道始终保持起动状态；当进气道下游反压降低时，结尾激波回撤，移动滑块在弹簧作用下回撤，泄流腔关闭，不影响进气道流量。因此该自适应喘振控制方法既能提升进气道抗反压能力，拓宽进气道喘振裕度；也能在进气道流场稳定时，保证进气道的流量特性。

Description

一种高超声速进气道及自适应喘振控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器气动技术领域，尤其是一种高超声速进气道。

背景技术

超燃冲压发动机主要由高超声速进气道、隔离段，燃烧室和尾喷管四个部分组成，高超声速进气道作为超燃冲压发动机的重要组成部分之一，负责给下游燃烧室提供足够的高压气体进行燃烧，其气动性能将直接影响整个推进系统的的整体性能。

当进气道出口背压超过某一临界值之后，会使得进气道从稳定工作状态失稳并触发喘振，进入不起动状态，造成整个推进系统的推力快速降低，甚至会破坏整个推进系统的结构。因此，应尽可能避免进气道进入不起动状态，或缩减进气道喘振强度。其中常用的控制方法就是泄流控制，通过在进气道下壁面或上壁面泄流放气来提升进气道抗反压能力，拓宽进气道喘振裕度。

但目前的泄流方法大多是定几何结构，即始终有流量损失，无法根据进气道出口背压的变化而自行调整。即使结尾激波未越过喉道，进气道仍会有流量损失。故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种高超声速进气道，目的是实现进气道喘振控制，提升喘振裕度，并且在结尾激波未越过进气道喉道时进气道无质量流量损失。

本发明还提供了上述高超声速进气道的自适应喘振控制方法。

为达到上述目的，本发明高超声速进气道采用的技术方案如下：

一种高超声速进气道，包括进气道下壁、位于进气道下壁外围的唇罩；所述进气道下壁与唇罩之间围成进气道内通道，其特征在于，所述进气道下壁内设有泄流腔、位于泄流腔后方的注压腔、位于注压腔及泄流腔之间的注压通道、位于注压通道内的活塞，进气道下壁内还设有挡板、滑块、弹簧、供滑块滑动的滑轨；所述挡板与注压通道分别位于泄流腔的两侧；弹簧的一端与挡板连接而另一端与滑块连接，滑块的一端与弹簧连接而另一端通过连杆与活塞连接；泄流腔与注压腔均与进气道内通道连通；当弹簧处于自由状态时，滑块位于泄流腔下方并将泄流腔封闭；当活塞向挡板方向移动时，活塞带动滑块自泄流腔下方移开使泄流腔打开，弹簧被压缩。

进一步的，泄流腔位置处于进气道唇罩入射激波反射点上游处，注压腔则处于唇罩入射激波反射点下游处。

进一步的，弹簧劲度系数小于1000N/m。

进一步的，所述进气道下壁设有若干条平行的泄流缝，泄流缝位于泄流腔上方并与泄流腔连通。

进一步的，所述进气道下壁设有若干条平行的注压缝，注压缝位于注压腔上方并与注压腔连通。

进一步的，所述进气道下壁内设有用以包围滑块的收容腔，该收容腔与注压通道同轴设置且分别位于泄流腔两侧，收容腔底部设置供滑块滑动的滑轨，所述滑块自泄流腔下方移开使泄流腔打开时，滑块进入收容腔内。

进一步的，进气道入口高度h根据设计要求而定，泄流缝宽度0.125h≤l₁≤0.16h；注压孔宽度l₂＜l₁，滑轨的宽度l₃＞0.4h，泄流腔宽度l₄≥3l₁，移动滑块的长度l₅＞1.43h。

有益效果：本发明通过在进气道下壁面开设泄流口和注压口并在滑轨内安置带弹簧的移动滑块实现泄流量的自动调节，进而提升进气道抗反压能力，拓宽进气道喘振裕度。当结尾激波位于喉道下游站位时，泄流消失，无流量损失。

本发明还提供了上述高超声速进气道的自适应喘振控制方法的技术方案：当进气道下游反压增大结尾激波前传时，结尾激波串中的高压驱动着移动滑块前移，进气道泄流腔开启，稳定住下游前传的结尾激波。当进气道下游反压降低时，结尾激波回撤，移动滑块在弹簧作用下回撤，不影响进气道流量。

进一步的，当进气道下游结尾激波串并未前传至喉道时，弹簧弹力刚好使移动滑块完全堵死泄流腔，此时进气道无质量流量损失。

进一步的，进气道下壁面泄流腔开启时，结尾激波前传至泄流腔进口时被遏止在泄流腔进口处，进气道始终保持起动状态。

附图说明

图1是本发明提供的高超声速进气道结构示意图，并展示了泄流腔封闭时的状态。

图2是本发明提供的高超声速进气道结构示意图，并展示了泄流腔打开时的状态。

图3是高超声速进气道尺寸示意图。

图4是堵锥进锥示意图。

图5是进口流量随时间变化曲线图。

图6是控制构型泄流关闭和泄流开启马赫云图，其中图6(a)是泄流腔关闭状态下的马赫云图，图6(b)是泄流腔开启状态下的马赫云图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1与图2所示，本发明提供的一种高超声速进气道包括进气道下壁1、位于进气道下壁1外围的唇罩2；所述进气道下壁与唇罩之间围成进气道内通道3。进气道下壁1内设有泄流腔4、位于泄流腔4后方的注压腔5、位于注压腔5及泄流腔4之间的注压通道7、位于注压通道7内的活塞8、挡板9、滑块10、弹簧11、供滑块10滑动的滑轨12、用以包围滑块的收容腔13。在本实施方式中，所述泄流腔4处于唇罩入射激波6反射点上游处，经验证这样可获得更好的泄流效果(入射激波以图中虚线表示)；而注压腔5则处于唇罩入射激波6反射点下游处。泄流腔4与注压腔5均与进气道内通道3连通。具体的，所述进气道下壁1设有若干条平行的泄流缝15及若干条平行的注压缝16。泄流缝15位于泄流腔4上方并与泄流腔4连通；注压缝16位于注压腔5上方并与注压腔5连通。

该收容腔13与注压通道7同轴设置且分别位于泄流腔4两侧，而挡板9与收容腔13位于泄流腔4同一侧，收容腔13在挡板9与泄流腔4之间且与泄流腔4连通。弹簧11的一端与挡板9连接而另一端与滑块10连接，滑块10的一端与弹簧11连接而另一端通过连杆14与活塞8连接。

当弹簧11处于自由状态时，滑块位于泄流腔4下方并将泄流腔4封闭；当活塞8向挡板9方向移动时，活塞8带动滑块10自泄流腔4下方移开使泄流腔4打开，弹簧11被压缩。所述滑块10自泄流腔4下方移开使泄流腔4打开时，滑块10进入收容腔13内。

弹簧11的劲度系数小于1000N/m，否则泄流量过小。另一方面，结尾激波位于喉道下游站位时，弹簧弹力能推动滑块10恰好堵塞住泄流缝15使进气道不再泄流。

当进气道下游反压增大时，在高反压作用下结尾激波前传，结尾激波串中的高压流体流经注压缝16进入注压腔5驱动活塞8及滑块10压缩弹簧11，使滑块10自泄流腔4下方移开，进气道下壁面的泄流腔4开启，结尾激波继续前传至泄流腔4进口时，高压低能流体通过泄流腔4快速排出，使得进气道抗反压能力大幅提升，结尾激波头部可以稳定在泄流腔4进口站位，不再前传。当进气道下游反压降低时，结尾激波回撤，当结尾激波头部回撤至喉道站位下游后，滑块10在弹簧11作用下回撤，滑块10堵塞住泄流缝15，泄流腔4关闭使进气道不再泄流，不影响进气道流量。

如图3所示，进气道入口高度h根据设计要求而定，泄流缝宽度0.125h≤l₁≤0.16h。注压孔宽度l₂<l₁，滑轨的宽度l₃>0.4h，泄流腔宽度l₄≥3l₁，移动滑块的长度l₅>1.43h，其中移动滑块承压面厚度为0.0625h，移动滑块堵块的厚度>l₄。l为移动滑块移动距离，它的大小反映了泄流放气量及移动滑块承压受力大小。

下面结合一种具体的高超声速进气道构型，对所述高超声速进气道自适应喘振控制措施的效果进行验证：

所选取的进气道设计马赫数为6，捕获高度h₀＝100mm，h＝24mm，h_t＝17.143mm,ICR＝1.4。进气道采用两级外压缩激波加一级内压缩激波，一级压缩角θ₁＝9°，二级压缩角θ₂＝10.8°，唇罩压缩角θ₃＝6°，进气道总长度L＝586.28mm。飞行高度为25km，此时来流静压p＝2549.18，静温T＝221.55k。

加上该喘振控制措施之后，泄流缝宽度l₁＝3mm，注压孔宽度l₂＝2mm，为了理论计算移动滑块承压面受力大小，将该进气道沿轴向拉伸50mm。当结尾激波头部稳定在泄流进口时，注压口静压p＝219553pa。此时移动滑块承压面受力大小F＝109.77N，当移动滑块没有堵塞泄流腔时，此时弹簧弹力近似等于109.77N，弹簧劲度系数约为732N/m。

图4给出了进气道出口堵塞度随时间的变化曲线示意图。具体实施步骤为：首先是进气道进锥阶段，初始锥位出口堵塞度TR＝25.75％,以16mm/s的速度进锥使进气道出口的堵塞度TR＝29.88％；随后停止进锥，使进气道在该固定锥位下进行非定常数值仿真计算。图5给出了进口流量随时间变化曲线图。可以看出，当进气道没有施加自适应喘振控制方法时，随着堵锥前移，进气道堵塞度增大，进气道下游反压快速增大，进气道很快进入不起动喘振流态。而当进气道施加自适应喘振控制方法后，进气道进口流量始终保持不变，进气道保持起动状态。

图6给出了控制构型泄流关闭和泄流开启马赫云图，其中图6(a)是泄流腔关闭状态下的马赫云图，图6(b)是泄流腔开启状态下的马赫云图。可以看出，对进气道施加自适应喘振控制方法后，当堵锥前移，堵塞度增大，进气道下游反压增大，在高反压作用下结尾激波前传，结尾激波串中的高压流体流经注压腔驱动着移动滑块前移，进气道下壁面的泄流腔开启，结尾激波继续前传至泄流腔进口时，其高压低能流体通过泄流腔快速排出，使得进气道抗反压能力大幅提升，结尾激波头部可以稳定在泄流腔进口站位，不再前传。可见该自适应喘振控制措施极大的提升了进气道抗反压能力，拓宽了进气道喘振裕度。

Claims (10)

1.一种高超声速进气道，包括进气道下壁、位于进气道下壁外围的唇罩；所述进气道下壁与唇罩之间围成进气道内通道，其特征在于，所述进气道下壁内设有泄流腔、位于泄流腔后方的注压腔、位于注压腔及泄流腔之间的注压通道、位于注压通道内的活塞，进气道下壁内还设有挡板、滑块、弹簧、供滑块滑动的滑轨；所述挡板与注压通道分别位于泄流腔的两侧；弹簧的一端与挡板连接而另一端与滑块连接，滑块的一端与弹簧连接而另一端通过连杆与活塞连接；泄流腔与注压腔均与进气道内通道连通；

当弹簧处于自由状态时，滑块位于泄流腔下方并将泄流腔封闭；当活塞向挡板方向移动时，活塞带动滑块自泄流腔下方移开使泄流腔打开，弹簧被压缩。

2.根据权利要求1所述的高超声速进气道，其特征在于，泄流腔位置处于进气道唇罩入射激波反射点上游处，注压腔则处于唇罩入射激波反射点下游处。

3.根据权利要求1或2所述的高超声速进气道，其特征在于，弹簧劲度系数小于1000N/m。

4.根据权利要求1或2所述的高超声速进气道，其特征在于，所述进气道下壁设有若干条平行的泄流缝，泄流缝位于泄流腔上方并与泄流腔连通。

5.根据权利要求1或2所述的高超声速进气道，其特征在于，所述进气道下壁设有若干条平行的注压缝，注压缝位于注压腔上方并与注压腔连通。

6.根据权利要求1或2所述的高超声速进气道，其特征在于，所述进气道下壁内设有用以包围滑块的收容腔，该收容腔与注压通道同轴设置且分别位于泄流腔两侧，收容腔底部设置供滑块滑动的滑轨，所述滑块自泄流腔下方移开使泄流腔打开时，滑块进入收容腔内。

7.根据权利要求1或2所述的高超声速进气道，其特征在于，进气道入口高度h根据设计要求而定，泄流缝宽度0.125h≤l₁≤0.16h；注压孔宽度l₂＜l₁，滑轨的宽度l₃＞0.4h，泄流腔宽度l₄≥3l₁，移动滑块的长度l₅＞1.43h。

8.一种根据权利要求1至7中任一项所述的高超声速进气道的自适应喘振控制方法，其特征在于，当进气道下游反压增大结尾激波前传时，结尾激波串中的高压驱动着移动滑块前移，进气道泄流腔开启，稳定住下游前传的结尾激波。当进气道下游反压降低时，结尾激波回撤，移动滑块在弹簧作用下回撤，不影响进气道流量。

9.根据权利要求8所述的自适应喘振控制方法，其特征在于，当进气道下游结尾激波串并未前传至喉道时，弹簧弹力刚好使移动滑块完全堵死泄流腔，此时进气道无质量流量损失。

10.根据权利要求8所述的自适应喘振控制方法，其特征在于，进气道下壁面泄流腔开启时，结尾激波前传至泄流腔进口时被遏止在泄流腔进口处，进气道始终保持起动状态。