CN113107680B - 带无级可调放气活门的高超声速大内收缩比进气道及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带无级可调放气活门的高超声速大内收缩比进气道，包括进气道前体、放气缝盖板、侧壁、唇罩、放气腔、活门叶片、隔板、转轴、扩压段与驱动机构。根据进气道的实际工况，通过驱动机构转动活门叶片，改变放气流路的最小截面，能够实现对进气道放气流量的无级动态调节，从而改善进气道的起动性能，提高进气道的气动性能，降低飞行器的放气阻力。本发明进气道两侧的活门叶片共用一套驱动机构且两侧驱动机构控制规律一致，便于使用电机控制，且整套装置结构简单，无需采用复杂的进气道本体调节装置即可实现放气流量的调节，以解决高超声速进气道气动性能与起动性能的矛盾。
Description
技术领域
本发明涉及高超声速飞行器进气道领域，尤其是一种带无级可调放气活门的高超声速大内收缩比进气道。
背景技术
高超声速进气道作为吸气式高超声速推进***的关键气动部件之一，肩负着流量捕获与调节，来流动能转化与利用等多项功能，直接影响推进***的工作效率与工作包线。此外，据分析，在高马赫数下工作的冲压发动机总推力的50％以上来源于复杂的进排气***，因此高超声速进气道的性能优劣对于高超声速飞行器宽速域下高效稳定工作至关重要。
进气道对于来流流量的捕获与调节，来流动能的转化与利用通常包括基于进气道外型面变化的外压缩与基于进气道内流道型面变化的内压缩。为了尽可能减小高超声速飞行器的飞行阻力，进气道常采用低外阻设计。而然，采用该设计的进气道外压缩量有所下降，对于进出口减速比较大的高超声速进气道，需要增加内压缩量以达到实际应用要求，这导致进气道内收缩比增加。内收缩比定义为进气道入口截面积与进气道喉道截面面积之比。大内收缩比可以显著改善进气道的气动性能，如出口总压恢复系数和抗反压性能，这也是进气道设计过程中最重要的两个性能指标。然而，过大的内收缩比会使进气道喉道容易发生壅塞，导致进气道在最低工作马赫数下无法自起动，进气道进入不起动状态。进气道不起动严重影响推进***的正常运行，甚至导致整个飞行任务的失败。此外，在进气道起动状态下，由于进出口气流的减速增压需通过斜激波增压、正激波增压和亚声速增压等过程共同完成，因此高超声速进气道面临的激波/边界层干扰问题十分复杂。严重的激波/边界层干扰诱发流动分离导致进气道性能下降，如总压恢复系数降低、总压畸变指数增大与亚临界稳定裕度降低等。因此，从未来高超声速进气道的发展趋势来看，为了改善进气道的气动性能，增加进气道的内收缩比是不二之选。然而，进气道还需拓宽其工作边界。为此，如何兼顾增加内收缩比在之后进气道气动性能和起动(工作边界)性能之间的矛盾是目前亟需解决的关键问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种带无级可调放气活门的高超声速大内收缩比进气道，能够在风洞试验与飞行试验中实现对进气道放气流量的无级动态调节，且结构简单，便于安装，易于实现。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种带无级可调放气活门的高超声速大内收缩比进气道，包括进气道前体、自进气道前体向后延伸的放气缝盖板、位于放气缝盖板上的唇罩、位于唇罩两侧的侧壁；所述进气道前体、放气缝盖板、唇罩及两侧的侧壁共同围成进气道的内流道；所述放气缝盖板内部设有若干自前向后排列的放气腔，相邻放气腔之间通过隔板隔开，放气缝盖板设有若干将放气腔与内流道连通的放气缝；每个所述放气腔的下半部分具有向侧方贯穿侧壁的放气通道；还设有开口调节装置，所述开口调节装置包括驱动器、自驱动器延伸出的转轴、位于每个放气通道内的活门片，所述活门片安装在转轴上并通过转轴转动，活门片在打开位置及关闭位置之间转动，当活门片转动至打开位置时，所述放气腔与外界连通，当活门片转动至关闭位置时，放气腔被活门片封闭。
进一步的，所述转轴依次穿过所述隔板，所述驱动器位于放气腔的后方。
进一步的，所述隔板的外部向后倾斜延伸使所述放气通道的放气方向为向斜后方向。
进一步的，放气通道分布于进气道展向两侧，且关于展向对称面对称；同一侧出***门片共用一个驱动器；两侧驱动器控制规律一致。
进一步的，放气缝盖板位于进气道喉道截面上游，其前缘与进气道前体相接，后缘与扩张段相接；放气缝盖板上表面前后型面分别与进气道前体，扩张段型面相切。
进一步的，放气缝盖板沿流向设置不同放气区域；各放气区域内放气缝缝宽与缝长，数量和展向型线分布规律为：
若进气道注重于起动性能，则放气区域设置于唇罩激波入射线上游，靠近进气道管道入口；
若进气道注重于气动性能，则放气区域设置于唇罩激波入射线附近。
进一步的，进气道喉道截面位于放气缝盖板下游进气道内流道处。
进一步的，所述隔板上设有供转轴穿过的定位孔，定位孔的中心位于放气通道最小横截面处；各放气通道最小横截面高相同，定位孔离放气腔下壁面的距离为最小横截面高的一半。
进一步的，驱动器为驱动电机；活门片关于转轴中心对称以减小放气带来的转动力矩。
本发明还提供了上述高超声速大内收缩比进气道的控制方法的技术方案：将活门片与放气腔下壁面保持平行，此时进气道放气流量最大，以实现进气道自起动；进气道自起动后，活门片旋转且旋转角度在0°～90°中选择，此时进气道放气流量随着转动角度逐渐减少。
附图说明
图1是本发明中带无级可调放气活门的高超声速大内收缩比进气道的立体图。
图2是图1中将进气道一侧侧壁隐去的示意图，且展示了活门片关闭时的状态。
图3是是图1中将进气道一侧侧壁隐去的示意图，且展示了活门片打开一个角度时的状态。
图4是驱动机构在放气腔上的安装示意图。
图5是图1中带无级可调放气活门的高超声速大内收缩比进气道的剖视图。
具体实施方式
本发明公开一种带无级可调放气活门的高超声速大内收缩比进气道。
请结合图1至图5，该高超声速大内收缩比进气道包括进气道前体1、自进气道前体1向后延伸的放气缝盖板2、位于放气缝盖板2上的唇罩4、位于唇罩 4两侧的侧壁3、自放气缝盖板2向后延伸的扩张段9。放气缝盖板2位于进气道喉道截面11上游，其前缘与进气道前体1相接，后缘与扩张段9相接；放气缝盖板2上表面前后型面分别与进气道前体1，扩张段9型面相切。所述进气道前体1、放气缝盖板2、唇罩4及两侧的侧壁3共同围成进气道的内流道。所述放气缝盖板2内部设有若干自前向后排列的放气腔12，相邻放气腔12之间通过隔板7隔开，放气缝盖板2设有若干将放气腔12与内流道连通的放气缝16。每个所述放气腔12的下半部分具有向侧方贯穿侧壁的放气通道13。
结合图5所示，放气缝盖板2沿流向设置不同放气区域。各放气区域内放气缝16缝宽与缝长，数量和展向型线分布规律取决于具体应用需求：
若进气道注重于起动性能，则放气区域设置于唇罩激波入射线15上游，靠近进气道管道入口，放气缝16缝宽与数量按进气道起动马赫数需求设计；
若进气道注重于气动性能，则放气区域设置于唇罩激波入射线15附近，放气缝16缝宽与数量按进气道特征尺寸合理设计，展向型线分布规律与唇罩激波入射线15分布规律一致；
若进气道注重宽域内气动性能，则放气区域按上述规则组合设置。
在本实施方式中，所述隔板7的外部向后倾斜延伸使所述放气通道13的放气方向为向斜后方向，即放气通道13中的气流向斜后方向泄出，使飞行器在向前飞行时不会有气流倒灌入放气通道13内，从而能够最大化放气通道13对进气道性能调节的作用。
对于放气通道13的开口大小，通过设置开口调节装置进行调节。所述开口调节装置包括驱动器10、自驱动器10延伸出的转轴8、位于每个放气通道13内的活门片6。驱动器10优选为驱动电机。活门片6关于转轴8中心对称以减小放气带来的转动力矩，减小该驱动电机运行功率。
所述转轴8依次穿过所述隔板7，所述驱动器10位于放气腔12的后方。所述活门片6安装在转轴8上并通过转轴8转动，活门片6在打开位置及关闭位置之间转动。当活门片6转动至打开位置时，所述放气腔12与外界连通，当活门片6转动至关闭位置时，放气腔12被活门片6封闭。转轴8和活门片6与隔板7 上的定位孔14同心。活门片6关于转轴8中心对称以减小放气带来的转动力矩，减小电机运行功率；转轴与放气腔下壁面17平行。其中，所述定位孔14中心位于放气通道13最小横截面处。各放气通道12最小横截面高相同，定位孔14离放气腔5下壁面17的距离为最小横截面高的一半。
放气通道13分布于进气道展向两侧，且关于展向对称面对称。同一侧出***门片6共用一个驱动器10。两侧驱动器10控制规律一致。
在飞行器进气道工作时，对该高超声速大内收缩比进气道的控制方法为：将活门片6与放气腔下壁面保持平行，此时进气道放气流量最大，以实现进气道自起动。进气道自起动后，活门片6旋转且旋转角度在0°～90°中选择，此时进气道放气流量随着转动角度逐渐减少。而由于转轴8的转动通过驱动器10可进行任意角度的调节，故对于活门片6的转动同样可以任意角度调节，即能够实现对进气道放气流量的无级动态调节。由于整套开口调节装置结构简单，无需采用复杂的进气道本体调节装置即可实现放气流量的调节，能够一定程度上解决高超声速进气道气动性能与起动性能的突出矛盾。
另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种带无级可调放气活门的高超声速大内收缩比进气道，包括进气道前体、自进气道前体向后延伸的放气缝盖板、位于放气缝盖板上的唇罩、位于唇罩两侧的侧壁；所述进气道前体、放气缝盖板、唇罩及两侧的侧壁共同围成进气道的内流道；其特征在于：所述放气缝盖板内部设有若干自前向后排列的放气腔，相邻放气腔之间通过隔板隔开，放气缝盖板设有若干将放气腔与内流道连通的放气缝；每个所述放气腔的下半部分具有向侧方贯穿侧壁的放气通道；
还设有开口调节装置，所述开口调节装置包括驱动器、自驱动器延伸出的转轴、位于每个放气通道内的活门片，所述活门片安装在转轴上并通过转轴转动，活门片在打开位置及关闭位置之间转动，当活门片转动至打开位置时，所述放气腔与外界连通，当活门片转动至关闭位置时，放气腔被活门片封闭。
2.根据权利要求1所述的高超声速大内收缩比进气道，其特征在于，所述转轴依次穿过所述隔板，所述驱动器位于放气腔的后方。
3.根据权利要求1或2所述的高超声速大内收缩比进气道，其特征在于，所述隔板的外部向后倾斜延伸使所述放气通道的放气方向为向斜后方向。
4.根据权利要求1或2所述的高超声速大内收缩比进气道，其特征在于，放气通道分布于进气道展向两侧，且关于展向对称面对称；同一侧出***门片共用一个驱动器；两侧驱动器控制规律一致。
5.根据权利要求1或2所述的高超声速大内收缩比进气道，其特征在于，放气缝盖板位于进气道喉道截面上游，其前缘与进气道前体相接，后缘与扩张段相接；放气缝盖板上表面前后型面分别与进气道前体，扩张段型面相切。
6.根据权利要求1或2所述的高超声速大内收缩比进气道，其特征在于，进气道喉道截面位于放气缝盖板下游进气道内流道处。
7.根据权利要求1所述的高超声速大内收缩比进气道，其特征在于，所述隔板上设有供转轴穿过的定位孔，定位孔的中心位于放气通道最小横截面处；各放气通道最小横截面高相同，定位孔离放气腔下壁面的距离为最小横截面高的一半。
8.根据权利要求1或2所述的高超声速大内收缩比进气道，其特征在于，驱动器为驱动电机；活门片关于转轴中心对称以减小放气带来的转动力矩。
9.一种根据权利要求1至8中任一项所述的高超声速大内收缩比进气道的控制方法，其特征为：将活门片与放气腔下壁面保持平行，此时进气道放气流量最大，以实现进气道自起动；进气道自起动后，活门片旋转且旋转角度在0°~90°中选择，此时进气道放气流量随着转动角度逐渐减少。
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