CN104989549B - 激光能量注入提高冲压发动机进气捕获量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明利用激光能量沉积击穿流场形成准静态波的技术，提供了一种提高冲压发动机进气捕获量的方法，该方法包含预估冲压发动机前体斜激波位置步骤、激光束整形为片光步骤、准静态波形成步骤和提高进气捕获量步骤。第一步，求解NS方程对流场进行数值模拟，或者根据马赫和雷诺相似准则进行风洞试验，判断冲压发动机进气道进气捕获量是否达到设计值，以及前体斜激波位置；第二步，利用多种反射镜和透镜组合，将激光束整形为片光；第三步，优化激光能量注入大小、位置和频率，形成准静态波；第四步，准静态波与前体斜激波相互作用，改变进气道唇口上游流动方向，使原本可能溢出的来流偏转并压缩进入进气道内压缩段。
Description
技术领域
本发明属于主控流动控制领域，是一种用于提高超声速和高超声速飞行器冲压发动机进气捕获量的装置。
背景技术
超声速或高超声速冲压式进气道依靠前体斜激波捕获并压缩气流，其理想几何构型是激波封口，即前体压缩斜激波汇集在唇口上，反射波入射于进气道肩部。激波角由马赫数决定，因此在飞行马赫数低于设计马赫数时，溢出就会发生，空气捕获量降低。为避免由此造成的发动机性能降低，可以采用变几何进气道，但是改变几何构型的机械***比较复杂。另一个可行方法就是向流场中注入或抽取能量，即主动流动控制技术。
美国普林斯顿大学的M.N.Shneider等人(M.N.Shneider,S.O.Macheret,S.H.Zaidi,et al.Steady and Unsteady Supersonic Flow Control with EnergyAddition[R].34th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference,Orlando,Florida.AIAA 2003-3862.Shneider M N,Macheret S O,et al.Modeling of PlasmaVirtual Shape Control of Ram/Scramjet Inlet and Isolator[R].PortlandOregon.Plasma dynamics and Lasers Conference in Portland,Oregon.AIAA 2004-2940.)提出“虚拟唇口”的设想，在流场特定位置注入微波、激光或电子束等定向能，形成加热区域，利用该区域温度或压强的提高使来流偏转，使得进入进气道气流质量的增加。他们对“虚拟唇口”进行了较为详细的数值研究，结果表明该方法可以充分提高进气捕获质量和动能效率。R.B.Miles等人(Sergey O.Macheret,Mikhail N.Shneider,RichardB.Miles.Optimum Performance of Electron Beam Driven MHD Generators forScramjet Inlet Control[R].34th AIAA Plasadynamics and Lasers Conference,Orlando,Florida.AIAA 2003-3763.Macheret S O,Shneider M N,Miles R B,etal.Scramjet Inlet Control by Off-Body Energy Addition and MHD Deceleration[R].Moscow.5th Int.Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics for AerospaceApplications,2003-32.)利用磁流体动力学(即MHD)流动控制方法改善进气性能，其原理是利用带电空气在磁场中运动时受的体积力，控制入射激波位置，扩展了进气道的运行马赫数。
国内外已经进行的能量注入控制冲压发动机进气捕获量的工作证明了该方法的可行性，但目前针对激光能量注入的方式，尚未提出一种工程适用性较强的激光能量沉积指导方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光能量沉积的提高冲压发动机来流捕获量的方法。本发明首次提出将高重频激光能量击穿来流形成的准静态波与冲压发动机前体斜激波相互作用，给出了激光参数和注入位置的优化选择方案，使原本可能溢出的来流偏转进入进气道内压缩段，提高进气捕获量。本发明提出的整形激光束为片光并聚焦的方法，为控制二维平面冲压式进气道提供了可行技术途径。本发明可应用于超声速和高超声速飞行器进气捕获量控制。
本发明描述预估冲压发动机进气捕获量及前体斜激波分布，实现方案如下：
(1)数值模拟飞行器周围流场状态。求解NS方程，根据来流总温确定气体模型为理想气体或非平衡气体，以飞行器构型为参照构建和划分计算网格，以真实来流状态为依据确定计算初始条件和来流参数。根据计算得到进气道流量，确定溢流是否发生，前体斜激波位置以及强度。
(2)在实验室条件下，根据马赫和雷诺相似准则，设计飞行器缩比模型开展风洞试验，根据纹影或阴影照片判断溢流是否发生以及前体斜激波位置和强度。
本发明描述整形激光束为片光，实现方案如下：
(1)利用高反镜反射激光束，使光束中心通过预定的激光能量沉积位置；
(2)利用凹柱面镜将激光束扩束，使圆形激光束变为细长椭圆形；
(3)利用矩形狭缝限制椭圆形激光束，狭缝长度设置为进气道唇口宽度，在确定狭缝长度之后确定狭缝宽度，其指标为保证尽量多的激光能量通过狭缝；
(4)利用凸柱面镜汇聚片光，在流场特定位置聚焦击穿来流。
本发明建立了激光片光聚焦击穿超声速或高超声速流场形成准静态波的方法，并给出了激光参数的优化选择，实现方案如下：
(1)击穿位置选择方法：冲压发动机唇口上游延长线与第一道前体斜激波交点处；
(2)激光输出功率大小选择方法：0.02倍左右的来流焓值H，H＝ρ∞cpT∞V∞L2，其中cp为定压比热，L为唇口宽度，ρ∞、T∞和V∞分别为自由流密度、温度和速度；
(3)激光频率选择方法：根据来流速度选择激光频率，使得单脉冲激光引致的点***波合并形成准静态波。
本发明给出了激光引致的准静态波用于提高进气道进气捕获量的方法，实现方案如下：
(1)准静态波与前体斜激波相互作用后射向进气道外压缩段的壁面，在壁面的反射波进入进气道内压缩段；
(2)准静态波后为高温、低压、低密度区域，来流被准静态波压缩后进入该区域，来流方向发生偏转；
(3)原本可能溢出的来流偏转进入进气道内压缩段，进气捕获量得到提高。
本发明的优势是
1)二维激光能量注入方式，便于控制二维流场。冲压发动机进气道往往是二维的，采用片光整形光路将激光能量聚焦为平面二维构型，聚焦击穿之后产生近似二维的准静态波，便于流动控制。
2)能量注入大小、位置和频率可控性强。激光器响应快，可调节性强。通过调节激光器输出能量模式，可针对不同的来流状态，实现的控制手段的优化。
3)工程应用性强。对多种偏离设计马赫数的来流条件都具备较强的适用性。
附图说明
图1为说明本发明的激光能量注入提高进气捕获量概念图；
图2为实现本发明的片光整形光路图；
图3为本发明的激光引致的点***波合并形成准静态波图；
图4为本发明的准静态波与前体斜激波相互作用图；
图5为实现本发明的实验装置布局图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明将激光能量用于提高冲压发动机进气捕获量的方法做进一步详细描述。图1给出了本发明原理图。
本发明的实现方案如下：在深入分析了来流马赫数低于设计值时进气捕获量降低原因的基础上，提出了一种基于激光能量注入的提高进气捕获量方法。本发明分为四个步骤，即确定进气捕获量以及前体斜激波位置和强度步骤、激光束整形为片光步骤、准静态波形成步骤和步骤。具体实施方案如下：
步骤一、确定进气捕获量以及前体斜激波位置和强度
该步骤通过数值计算和风洞试验两种方法完成。控制方程为守恒型非定常可压缩的Navier-Stokes方程：
其中Q是守恒量，F、G、H为无粘(对流)通量项，Fv、Gv、Hv为粘性(耗散)通量项，各项具体表达式如下：
其中
βx＝uτxx+vτyx+wτzx-qx
βy＝uτxy+vτyy+wτzy-qy
βz＝uτxz+vτyz+wτzz-qz
在完全气体假定下，气体满足下列状态方程
p＝ρRT
e为比内能，比总能为：
以上表达式中，ρ、(u,v,w)、p、T、e分别表示密度、直角坐标系(x,y,z)的三个速度分量、压强、温度和单位质量的内能；e、E、γ、μ分别表示为单位质量的内能、总能、气体比热比和粘性系数。如果来流总温高于1000K，则驻点气体可能存在解离，则选用非平衡气体方程。
对于风洞试验，则设计加工飞行器缩比模型和风洞来流参数，设计依据是马赫和雷诺相似准则，此项工作为成熟技术，不再赘述。
步骤二、将激光束整形为片光
图2给出了将激光束整形并聚焦的具体方法。先利用高反镜(2)反射激光束(1)，使光束中心通过预定的激光能量沉积位置；再利用凹柱面镜(3)将激光束扩束，使圆形激光束变为细长椭圆形；然后利用矩形狭缝(4)限制椭圆形激光束，狭缝长度设置为冲压进气道唇口宽度，在确定狭缝长度之后确定狭缝宽度，其指标为保证尽量多的激光能量通过狭缝；最后利用凸柱面镜(5)汇聚片光，在流场特定位置聚焦形成高激光功率密度沉积区域(6)，击穿来流。
步骤三、将片光聚焦击穿来流，形成准静态波
图3给出了多个点***波合并形成准静态波的过程，具体步骤为：
(1)根据数值计算和风洞试验结果，判断前体斜激波位置，将唇口上游延长线与第一道前体斜激波交点定为激光能量注入点；
(2)定义来流焓值为：H＝ρ∞cpT∞V∞L2，其中cp为自由流定压比热，ρ∞、T∞和V∞分别为自由流密度、温度和速度，L为进气道唇口宽度；激光功率定义为：W＝Qf，其中Q为单脉冲激光能量，f为激光频率，激光输出功率大小选择方法为W＝0.02H左右。
(3)激光频率f的选择是准静态波形成的关键因素。第n个脉冲激光能量击穿来流形成一个点***波，点***波在膨胀的同时随自由流向下游移动；与此同时，第n+1个脉冲激光能量击穿自由流也产生点***波，该点***波的面向下游部分移动速度高于第n个点***波面向上游部分的速度，因此，根据自由流速度和点***波膨胀速度，调整激光频率f，就可以实现点***波之间的追赶合并，最终形成类似于斜激波的准静态波结构。
步骤四、准静态波压缩来流并改变其方向，提高进气捕获量
图4给出了准静态波提高冲压发动机进气道进气捕获量的数值模拟典型结果图，激光束(1)在唇口上游延长线(7)与第一道前体斜激波(8)交点处聚焦击穿来流形成准静态波(9)，来流(10)被准静态波压缩并改变方向，流入内压缩段(11)。图5给出了以激波风洞为例的试验方案，具体步骤为：
(1)当入射到达激波管(12)低压端面时，压力传感器(13)将触发信号输入数字延迟信号发生器(14)作为0时刻。当流场稳定时，数字延迟信号发生器(14)触发激光器(15)输出激光，通过风洞窗口(16)和片光整形光路(17)，在流场指定位置击穿来流。
(2)超声速或高超声速来流条件由拉法尔喷管(18)确定，进气道模型安装在真空舱(19)内，以便于风洞起动。
(3)控制效果的评估采用纹影测量***和流量测量***实现。闪光源(20)和高速相机(21)是纹影***的基本组成部件，二者均由数字延迟信号发生器(14)控制，图中的虚线代表纹影光路。流量测量***(22)将采集到的信号输入计算机(23)存储和处理。
Claims (1)
1.激光能量注入提高冲压发动机进气捕获量方法，包含以下步骤：
步骤一、预估冲压发动机进气捕获量及前体斜激波分布
在超声速或高超声速流场中，针对特定的冲压发动机进气道及前体构型，利用纹影或阴影实验、数值模拟方法获得在特定来流条件下的飞行器流场状态；根据进气道内压缩段质量流量判断进气捕获量是否达到设计值，同时获得前体斜激波位置和强度；
步骤二、将激光束整形为片光
利用光束传输与变换***，将激光源整形为片光，入射至流场指定位置；该***包括高反镜、凹柱面镜、矩形狭缝和凸柱面镜组件，激光由激光器输出后，先后经高反镜反射、凹柱面镜扩束、矩形狭缝整形及凸柱面镜会聚，形成片光进入待测流场；
步骤三、将片光聚焦击穿来流，形成准静态波
利用柱凸透镜聚焦激光片光，在唇口上游延长线与第一道前体斜激波交点处击穿来流形成点***波结构；激光输出功率大小为进气道迎风面来流焓值H的2％左右，H＝ρ∞cpT∞V∞L2，其中cp为定压比热，L为进气道唇口宽度，ρ∞、T∞和V∞分别为自由流密度、温度和速度；对于脉冲式激光器，根据来流速度选择激光频率，使得单脉冲激光引致的点***波合并形成准静态波；
步骤四、准静态波与前体斜激波相互作用，提高进气捕获量
准静态波与进气道前体斜激波相互作用，准静态波后流线方向发生改变，使原本可能溢出的来流偏转进入内压缩段，进气捕获量提高的同时，气流总压也获得提高。
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