CN101029597A - 定几何超声速、高超声速可调进气道 - Google Patents

定几何超声速、高超声速可调进气道 Download PDF

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本发明提供了一种对进口波系、有效喉道面积均可实时调节，且几何形状固定、结构简单的定几何超声速、高超声速可调进气道。其特征在于它包括进气道主体、进气道唇罩、管路、阀门、多孔或多缝板、稳压腔、引流板和引流腔；通过设置在进气道内部高压区的引流板和引流腔，提取少量的压强相对较高的二次流体，并经管道输送至布置在进气道主体各级压缩斜板内的稳压腔内，而后通过多孔或多缝板以预设的方式和沿程分布注入进气道流场内，即实现对进气道口部波系和有效喉道面积的实时调节。本发明的优点是不仅在较宽的马赫数范围内具有较高的流量系数，前体阻力系数也显著低于常规进气道，而且几何形状固定、结构简单、易于实现。

Description

定几何超声速、高超声速可调进气道
技术领域
本发明涉及一种超声速、高超声速进气道，特别是一种对进口波系、有效喉道面积均可实时调节，且几何形状固定、结构简单的定几何超声速、高超声速可调进气道。
背景技术
作为冲压发动机的三大部件之一，超声速、高超声速进气道直接面向燃烧室，肩负着捕获来流以及对来流进行减速、增压、整流等多项功能，因而其设计相当关键，其流量捕获特性、总静压恢复特性以及阻力特性等直接影响着推进***的工作效率及运行能力。目前，一般认为进气道的流量系数对冲压发动机推力的影响最为直接，流量系数的增加即对应着发动机推力的同比例增加。然而不幸的是，对于常规设计的定几何宽马赫超声速、高超声速进气道而言，当工作在波系封口马赫数以下时其流量系数的下降非常显著，且伴随着难以忍受的溢流阻力，如某马赫6设计的二元高超声速进气道在马赫5工作时流量系数就下降到了0.73，显然这严重制约着推进***性能的发挥，特别是对飞行器低马赫的加速过程极为不利。为此，提高进气道的流量系数非常关键。
为了对进气道的进口波系进行控制以提高其流量系数，目前采用较多的技术途径是设置专门机构使进气道的几何形状可调，如日本的ATREX中心锥位置可调进气道、HYPR伞状进气道和压缩面轴向可调进气道、多级圆盘可调轴对称进气道，美国的GTK半圆形变几何进气道等。通过机械方式控制物面几何参数及喉道截面积，变几何进气道能够对口部波系及收缩比进行实时调节，故可在较为宽广的马赫数范围内获得较高的流量系数及总压恢复性能，但其付出的代价也是相当昂贵的：重量增加，结构复杂，有效空间下降，可靠性降低，且存在控制、封严等一系列问题。
俄罗斯学者Fraishtadt、Kuranov等人提出的磁控进气道是目前正在研究的一类新概念高超声速可调进气道，其思想是利用来流已有或人工制造的等离子环境，在进气道口部附加一磁场，通过洛伦茨力来改变气流方向，从而实现对进气道口部波系的控制。磁控进气道的最大优点在于进气道的几何形状固定。然而，由于需要设置等离子激发器、可控电磁场发生器、能量存储器、能量转换器等专用装置，采用该技术后所能获得的净收益到底如何，目前仍是一个疑问。另外，强磁场的叠加可能会给飞行器的制导、通讯等方面带来不可低估的负面影响。
发明内容
1、发明目的：为了解决现有可调进气道中需要配置复杂的辅助设施或需要旋转压缩面斜板的不足，本发明提供一种定几何超声速、高超声速可调进气道，该可调进气道几何形状固定、结构简单，无需任何作动装置，也无需附加的高压气源，仅仅通过改变设置在进气道主体内阀门的开度即可实现对进气道口部波系和有效喉道面积的实时调节，使进气道口部波系在不同马赫数下均保持封口，从而获得高的流量系数。
2、技术方案：本发明所述的一种定几何超声速、高超声速可调进气道，它包括进气道主体和进气道唇罩，其特征在于：安装在进气道主体外压缩斜面上的多孔或多缝板通过设置在外压缩斜面内的稳压腔与进气道主体内的管路的一端相连，管路上安装有调整二次流流量的阀门，管路另一端通过引流腔与安装在进气道高压区中的引流板相连。
根据不同的设计需要，可将进气道主体的外压缩斜面设置为1～4级，即外压缩斜面为一个斜面构成或由2～4个相连的且倾角不断增大斜面构成。
为了获得较好的调节效果并减小进气道的总压损失，将多孔或多缝板安装在进气道主体各级外压缩斜面的前端。
本发明的工作原理是：通过设置在进气道内部高压区中的引流板和引流腔，从进气道内提取少量的压强相对较高的二次流体，并经管道输送至布置在进气道主体各级压缩斜板内的稳压腔内，而后通过多孔或多缝板以预设的方式和沿程分布注入进气道流场内。由于二次流的注入带来了附加质量以及扰动损失，使得进气道流场内壁面附近主流的流通能力不断减弱，主流被迫往离开壁面的方向偏转，产生一束弱压缩波并干扰压缩面发出的激波，使之向外弯曲，故可以控制口部激波系与进气道唇口的相对位置。另外，由于从进气道高压区提取的二次流在各级压缩面的前端又重新注入了进气道流场内，也就是说这部分流体是循环使用，但占据了一定的喉道流通面积，因此控制二次流的流量还可控制进气道的有效喉道流通面积。
3、有益效果：本发明所述的定几何超声速、高超声速可调进气道不仅在较宽的马赫数范围内具有高的流量系数，前体阻力系数也显著低于常规进气道，并且还具有几何形状固定、结构简单、易于实现等优点。
附图说明
附图是本发明具有2级外压缩面进气道的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1，本定几何超声速、高超声速可调进气道所涉及到的部件名称包括进气道主体1、进气道唇罩2、管路3、阀门4、多孔或多缝板5、稳压腔6、引流板7和引流腔8；进气道主体1为2级外压缩斜面，即外压缩斜面由两段斜面相连构成。将两个多孔或多缝板5安装在两个外压缩斜面的前端，并分别通过各自的稳压腔6和管路3与设置在进气道高压区中的引流板7和引流腔8相连，在各自的管路3上均安装有调节二次流流量的阀门4。通过设置在进气道内部高压区中的引流板7和引流腔8，从进气道内提取少量的压强相对较高的二次流体，并经管道3输送至布置在进气道主体各级压缩斜板内的稳压腔6内，而后通过多孔或多缝板5以预设的方式和沿程分布注入进气道流场内，从而对进气道的口部波系和有效喉道面积进行调节。
该可调进气道在不同马赫数下的工作模式如下：若进气道所需的工作马赫数范围为M1～M2(M1＜M2)，则选择Ms(M1＜Ms＜M2)为波系封口马赫数进行进气道的型面设计，当进气道工作在Ms及以下时，无需对激波进行控制，阀门4完全关闭，而当进气道工作在Ms以上时，为了防止外压缩波系打入内通道而导致进气道的性能大幅下降甚至出现不稳定工作，此时开启阀门4，并根据需要调节其开度以保持进气道的外压缩波系刚好贴口。因此，本可调进气道在Ms及以上的流量系数理论上可达到1，在Ms以下的流量系数也较常规进气道有大幅度提高。
超声速、高超声速进气道的外压缩面一般可以有1～4级，而对每一级压缩面均需布置管路3、阀门4和多孔或多缝板5各一套。
实施例：
在工作马赫数范围4～6的设计条件下，设计了一定几何高超声速可调进气道。该可调进气道以马赫数5为波系封口马赫数进行型面设计，具有两级外压缩斜面，在马赫数5～6范围内通过注入适量的二次流一直保持口部波系贴口，此时所消耗的次流量为进气道捕获流量的0.0～1.5％(循环使用)，马赫数6时对有效喉道截面积的调整幅度在15％以上。表1中对比了定几何高超声速可调进气道与常规定几何进气道的主要性能参数，两方案的起动马赫数均为4.0，且出口马赫数的差别在2.0％以内。可以看出，定几何高超声速可调进气道在流量系数、前体阻力系数等方面具有显著的优势。
表1  定几何高超声速可调进气道与常规定几何进气道的性能参数对比
Figure A20071002100500061

Claims (3)

1、一种定几何超声速、高超声速可调进气道，它包括进气道主体(1)和进气道唇罩(2)，其特征在于：安装在进气道主体(1)外压缩斜面上的多孔或多缝板(5)通过设置在外压缩斜面内的稳压腔(6)与进气道主体(1)内的管路(3)的一端相连，管路(3)上安装有调整二次流流量的阀门(4)，管路(3)另一端通过引流腔(8)与安装在进气道高压区中的引流板(7)相连。
2、根据权利要求1所述的定几何超声速、高超声速可调进气道，其特征在于：外压缩斜面为一个斜面构成或由2～4段相连的斜面构成。
3、根据权利要求1或2所述的定几何超声速、高超声速可调进气道，其特征在于：多孔或多缝板(5)安装在进气道主体(1)各级外压缩斜面的前端。
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