CN113153530A - 一种高超声速变结构进气道机构和宽域组合动力飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高超声速变结构进气道机构和宽域组合动力飞行器，进气道机构包括：变结构进气道型面和作动机构；所述变结构进气道型面包括依次连接的前体三级压缩板、可动过渡段、可动喉道板和后滑动板；第三级压缩面与可动过渡段、可动过渡段与可动喉道板、可动喉道板与后滑动板之间通过轴孔铰接；所述后滑动板滑动设置在后滑动槽内，后滑动槽和机身底板连接；所述可动过渡段具有容纳空间并包围进气道入口；所述作动机构驱动变结构进气道型面发生形变。方案结构简单实用，控制简单方便，工程应用可实现性较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种高超声速进气道的机构，特别是涉及适用于宽域组合动力飞行器的高超声速变结构进气道机构和宽域组合动力飞行器。
背景技术
宽域组合动力飞行器即是采用组合动力技术，满足跨空域(0—40km+)、宽速域(0—8Ma+)飞行需求的一类先进飞行器。由于其宽域的高度-速度包线，无法通过设计和优化飞行器固定型面的进气道外形，兼顾飞行器不同马赫数下不同动力发动机所需进气量、平衡不同马赫数下气动性能、获得更高的发动机性能。因此宽域组合动力飞行器的前体/进气道需要采用一种高可靠性的变结构前体/进气道设计，以根据飞行条件，分级调节进气道入口大小，兼顾和平衡飞行器在不同马赫数条件下的气动性能，能够在引射模态、亚燃模态和超燃模态间进行高效匹配和平稳过渡。
但宽域组合动力飞行器在高超声速飞行条件下，采用变结构设计的前体/进气道部件前的高压热气流进入低压的控制结构缝隙也会产生复杂的缝隙内流和剧烈气动加热，严重情况下会甚至会导致飞行器变结构进气道结构间隙内部件的损坏甚至失效，进而导致变结构部件失控和整体飞行器失控。因此为防止高温高压气流，机构必须能够在实现变结构功能的同时，实现在变结构缝隙处具有一种能够隔绝高压热气流的高温动密封结构，实现可动前体/进气道部件在整个飞行器安全服役期间可根据飞行范围内不同马赫数阶段，对飞行器进气道的分级调节，并同时不影响飞行器的进气道变结构的来流调节功能。
发明内容
本发明提供一种高超声速变结构进气道机构和宽域组合动力飞行器，通过前后平移滑动板，改变进气道位置和喉道高度，提高进气道在非设计状态下性能，保证进气道在较宽的飞行马赫数范围内稳定工作，使之相比于传统固定型面前体/进气道，具有分级调节进气道入口大小、兼顾不同马赫数下气动性能、获得更高的发动机性能、不同模态平稳过渡、较低的质量惩罚等优点，同时该控制装置结构简单，易于实现。
为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。
一种高超声速变结构进气道机构，包括：变结构进气道型面和作动机构；
所述变结构进气道型面包括依次连接的前体三级压缩板、可动过渡段、可动喉道板和后滑动板；第三级压缩面与可动过渡段、可动过渡段与可动喉道板、可动喉道板与后滑动板之间通过轴孔铰接；所述后滑动板滑动设置在后滑动槽内，后滑动槽和机身底板固定连接；
所述可动过渡段具有容纳空间并包围进气道入口；
所述作动机构包括传力杆、上滑块、上滑动槽、液压缸和液压杆；传力杆一端与可动喉道板上表面铰接，另一端与上滑块铰接；上滑块滑动设置在上滑动槽内，上滑块通过液压杆与液压缸连接。
作为本发明的进一步改进，所述前体三级压缩板和机身底板均与机身侧板形成飞行器外形并为变结构机构提供安置空间。
作为本发明的进一步改进，所述后滑动槽内设置有凹滑槽；所述后滑动板上设置有滑块；所述滑块配合设置在所述凹滑槽内。
作为本发明的进一步改进，所述上滑动槽内设置有凸滑槽，上滑块具有与凸滑槽配合的轨道。
作为本发明的进一步改进，所述上滑块下表面固定有上滑块下耳片，侧面固定有一个上滑块侧耳片，液压杆的端部固定有一个液压杆耳片，可动喉道板的上表面固定有喉道板耳片，液压杆与上滑块、上滑块与传力杆、传力杆与可动喉道板分别通过液压杆耳片、上滑块下耳片、喉道板耳片铰接连接。
作为本发明的进一步改进，所述传力杆设置为单根或两根或多根，当设置为两个及以上传力杆时，传力杆平行设置。
作为本发明的进一步改进，所述可动过渡段包括：与第三级压缩面、可动喉道板相铰接，且分布有溢流槽条缝的可动过渡段底板；以及固定于底板之上并围成容纳空间以始终包围着溢流出口的可动过渡段封闭段。
作为本发明的进一步改进，还包括动密封条，所述动密封条包括可动过渡段密封条、可动喉道板密封条和后滑动板密封条；可动过渡段密封条安装在可动过渡段侧壁上，可动喉道板密封条安装在可动喉道板侧壁上，后滑动板密封条安装在后滑动板侧壁上。
一种宽域组合动力飞行器，其特征在于，包括飞行器机身和所述的高超声速变结构进气道机构。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过可动喉道板的上下平动，使喉道高度可以根据飞行状态和来流条件改变。相比于定几何的多级压缩进气道，能够在低速状态下正常启动，在高速状态下降低喉道高度、增大内收缩比、捕获更多的流量、为燃烧室提供稳定且适合的气流使其正常工作，并使进气道在变形过程中依然能够保持较优的性能，实现进气道来流调节的功能。此外本发明采用一套液压***控制两根前后传力杆、且能够保证进气道喉道段在变结构的过程中始终保存水平的上下平动，方案结构简单实用，控制简单方便，工程应用可实现性较高。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：
图1为包含变结构进气道机构的飞行器轴测图；
图2为喉道位于高度最大处的变结构进气道机构轴测图；
图3为喉道位于高度最大处的变结构进气道机构正视图；
图4为喉道位于高度最大处的变结构进气道机构放大轴测图；
图5为喉道位于高度最小处的变结构进气道机构正视图；
图6为后滑动槽轴测图；
图7为上滑动槽轴测图；
图中：1.前体三级压缩板；2.机身侧板；3.机身底板；4.可动过渡段；5.可动喉道板；6.喉道板耳片；7.传力杆；8.上滑块下耳片；9.后滑动板；10.后滑动槽11.液压缸；12.液压杆13.上滑动槽；14.可动过渡段密封条；15.可动喉道板密封条；16.后滑动板密封条；17.上滑块；18.上滑块侧耳片；19.液压杆耳片；20.后滑动板滑块；21.凹滑槽；22.凸滑槽；23.可动过渡段封闭段；24.可动过渡段底板。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清除、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
为了保证进气道在整个飞行速域内可以为燃料燃烧提供充足的氧气，并保证一定压缩和出口气流的均匀性，在低马赫数状态下，应使进气道喉道入口较大的状态下工作。随着马赫数的增大，进气道的流量系数增大，较大的内收缩比和较小压缩角使气流的压缩效果减弱，气流的出口马赫数较高，压升比较低，抗反压能力较弱。因此，在高马赫数下，进气道应调整到进气道喉道入口较小的状态下工作，可以保证进气道对气流有足够的压缩。
如图1-图5所示，为了实现以上功能，本发明提供了一种适用于宽域组合动力飞行器的变结构进气道机构，主要包括：由前体三级压缩板1、可动过渡段4、可动喉道板5、后滑动板9、后滑动槽10、机身底板3所组成的上进气道型面；由传力杆7、上滑块17、上滑动槽13、液压缸11、液压杆12所组成的作动机构；由可动过渡段密封条14、可动喉道板密封条15、后滑动板密封条16组成的动密封条。
其中，前体三级压缩板1对来流空气进行减速增压；机身侧板2和机身底板3在维持飞行器外形的基础上为变结构机构提供安置空间；前体三级压缩板1、后滑动槽10、机身底板3、上滑动槽13、液压缸11与机身侧壁2固定连接；可动过渡段4、可动喉道板5、后滑动板9共同形成变结构进气道型面(可动面)，实现变结构进气道功能，且第三级压缩面1与可动过渡段4、可动过渡段4与可动喉道板5、可动喉道板5与后滑动板之间通过轴孔连接的方式铰接连接。
可动喉道板5通过液压***施加的力可以保持水平的进行上下方向移动，保证入口气流稳定性与均匀性的同时，调节喉道入口的高度，调节入口气流的总压恢复系数与流量系数等参数；后滑动槽10为后滑动板9及其滑块20运动提供凹滑槽21(如图6所示)，对后滑动板9的运动形成约束；上滑动槽13为上滑块17提供凸滑槽22(如图7所示)，对上滑块17的运动形成约束；上滑块17下表面固定有两个上滑块下耳片8，侧面固定有一个上滑块侧18，液压杆的端部固定有一个耳片19，可动喉道板5的上表面固定有两个耳片6，且两个耳片间隔距离和上滑块17下表面固定的两个上滑块下耳片8间的间隔距离相同，液压杆12与上滑块17、上滑块17与传力杆7、传力杆7与可动喉道板5即分别通过耳片18与19、耳片8、耳片6铰接连接。
当液压***工作，液压缸11推动液压杆12伸缩，带动上滑块17沿上滑动槽13内滑动，上滑块17的移动带动与之相连的传力杆7发生偏转和移动，传力杆7的偏转通过可动喉道板5耳片带动可动喉道板5保持水平的平动，从而调整了喉道的高度位置，同时可动喉道板5带动可动过渡段4，以第三级压缩面与可动过渡段4的铰接点处为圆心、以可动过渡段4的前后铰接点间直线距离为半径进行圆周运动；设可动喉道板5的前后铰接点间直线距离为L，则可动喉道板5带动后滑动板9，以第三级压缩面与可动过渡段4的铰接点向可动喉道板5方向平移长度L后的点为圆心、以可动过渡段4的前后铰接点间直线距离为半径进行圆周运动。
当飞行速度增加至高马赫数时，液压杆12伸出，推动上滑块17向前运动，通过两根传力杆7使可动喉道板5保持水平下移；当飞行速度降低至低马赫数时，液压杆12收缩，拉动上滑块17向后运动，通过两根传力杆7使可动喉道板5保持水平上移，实现飞行器在不同马赫数条件下飞行模式的高效匹配和平稳过渡，始终保证进气道在不同马赫数下获得稳定的所需进气量和气流质量要求。
与此同时，通过在可动过渡段4、可动喉道板5、后滑动板9这三者所组成的可动面中开凹槽，采用石墨盘根且不限于此的材料作为动密封条，安装可动过渡段密封条14、可动喉道板密封条15、后滑动板密封条16组成的动密封结构，可以保证可动面与机身侧板间的有效动密封，保证机身内部与进气道间一定的气密封与热密封效果。
此外，由于进气道壁面的激波/附面层干扰，可能在进气道喉道前形成分离包，导致进气道的无法启动，因此设置了由：与第三级压缩面和可动喉道板相铰接且分布有溢流槽条缝的可动过渡段底板(24)；及固定于底板之上并围成容纳空间以始终包围着溢流出口的可动过渡段封闭段(23)所组成的可动过渡段(4)。通过宽域组合动力飞行器的三波系结构前体/进气道对来流的压缩，可动过渡段底板(24)溢流槽条缝处的气流压强大于机身侧板(2)的外侧气流压强，壁面附面层可以通过溢流槽条缝流入可动过渡段封闭段(23)，随后由机身侧板(2)上的溢流出口流出，从而有效吸除附面层、降低进气道的起动马赫数、提高总压恢复系数，让进气道能够在更宽的马赫数范围内正常工作。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。
Claims (9)
1.一种高超声速变结构进气道机构，其特征在于，包括：变结构进气道型面和作动机构；
所述变结构进气道型面包括依次连接的前体三级压缩板(1)、可动过渡段(4)、可动喉道板(5)和后滑动板(9)；第三级压缩面(1)与可动过渡段(4)、可动过渡段(4)与可动喉道板(5)、可动喉道板(5)与后滑动板(9)之间通过轴孔铰接；所述后滑动板(9)滑动设置在后滑动槽(10)内，后滑动槽(10)和机身底板(3)固定连接；
所述可动过渡段(4)具有容纳空间并包围进气道入口；
所述作动机构包括传力杆(7)、上滑块(17)、上滑动槽(13)、液压缸(11)和液压杆(12)；传力杆(7)一端与可动喉道板(5)上表面铰接，另一端与上滑块(17)铰接；上滑块(17)滑动设置在上滑动槽(13)内，上滑块(17)通过液压杆(12)与液压缸(11)连接。
2.根据权利要求1所述的一种高超声速变结构进气道机构，其特征在于，所述前体三级压缩板(1)和机身底板(3)均与机身侧板(2)形成飞行器外形并为变结构机构提供安置空间。
3.根据权利要求1所述的一种高超声速变结构进气道机构，其特征在于，所述后滑动槽(10)内设置有凹滑槽(21)；所述后滑动板(9)上设置有滑块(20)；所述滑块(20)配合设置在所述凹滑槽(21)内。
4.根据权利要求1所述的一种高超声速变结构进气道机构，其特征在于，所述上滑动槽(13)内设置有凸滑槽(22)，上滑块(17)具有与凸滑槽(22)配合的轨道。
5.根据权利要求1所述的一种高超声速变结构进气道机构，其特征在于，所述上滑块(17)下表面固定有上滑块下耳片(8)，侧面固定有一个上滑块侧耳片(18)，液压杆的端部固定有一个液压杆耳片(19)，可动喉道板(5)的上表面固定有喉道板耳片(6)，液压杆(12)与上滑块(17)、上滑块(17)与传力杆(7)、传力杆(7)与可动喉道板(5)分别通过液压杆耳片(19)、上滑块下耳片(8)、喉道板耳片(6)铰接连接。
6.根据权利要求1所述的一种高超声速变结构进气道机构，其特征在于，所述传力杆(7)设置为单根或两根或多根，当设置为两个及以上传力杆时，传力杆平行设置。
7.根据权利要求1所述的一种高超声速变结构进气道机构，其特征在于，所述可动过渡段(4)包括：与第三级压缩面、可动喉道板相铰接，且分布有溢流槽条缝的可动过渡段底板(24)；以及固定于底板之上并围成容纳空间以始终包围着溢流出口的可动过渡段封闭段(23)。
8.根据权利要求1所述的一种高超声速变结构进气道机构，其特征在于，还包括动密封条，所述动密封条包括可动过渡段密封条(14)、可动喉道板密封条(15)和后滑动板密封条(16)；可动过渡段密封条(14)安装在可动过渡段(4)侧壁上，可动喉道板密封条(15)安装在可动喉道板(5)侧壁上，后滑动板密封条(16)安装在后滑动板(9)侧壁上。
9.一种宽域组合动力飞行器，其特征在于，包括飞行器机身和权利要求1至8任一项所述的高超声速变结构进气道机构。
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