CN107061011B

CN107061011B - 低外阻高超声速进气道

Info

Publication number: CN107061011B
Application number: CN201710407369.8A
Authority: CN
Inventors: 谢文忠; 吴中明; 王肖; 施欢
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2019-01-04
Anticipated expiration: 2037-06-02
Also published as: CN107061011A

Abstract

本发明提供了一种低外阻高超声速进气道，属于飞行器气动设计领域。该高超声速进气道内收缩段还包括隔板（1），隔板（1）呈“拱桥”形状水平放置于进气道内收缩段（4）内，隔板前缘的水平位置靠近内收缩段（4）入口处，隔板前缘的高度位置在内收缩段（4）入口中间位置处；隔板上壁面（8）、隔板下壁面（9）均在隔板中间位置往上拱起。本发明的优点是不仅几何形状固定、结构简单、易于实现，而且能够降低高超声速进气道的唇罩外部阻力，改善进气道流场，大大提高进气道性能。

Description

低外阻高超声速进气道

技术领域

本发明提出一种低外阻、二元高超声速进气道，属飞行器气动设计领域。

背景技术

高超声速飞行器是指飞行马赫数大于5的飞行器，其重要的战略意义是当今世界强国研究的热点问题。高超声速进气道作为高超声速推进系统中的重要部件，其性能好坏对整个推进系统具有重要意义，进气道的阻力是衡量进气道性能的重要指标，而唇罩外部阻力则是高超声速进气道阻力的重要来源，但为了减小进气道唇罩外部阻力，通常会引起进气道的内收缩段强烈的激波边界层干扰，甚至引发边界层分离，造成进气道性能大大下降。因此，探究如何在降低高超声速进气道唇罩外阻的情况下减弱进气道的内收缩段激波边界层干扰影响，从而获得性能较好的高超声速进气道具有重要的现实意义。

对于减弱或者抑制在高超声速进气道的内收缩段的激波边界层干扰现象，通常有以下几种措施：抽吸和泄流、涡流发生器、磁流体技术等。抽吸和泄流(李世珍,唐硕,高超声速进气道壁面开缝对边界层分离影响研究,空气动力学学报,2011,Vol 29,No.1.₎利用内外通道的压差能够有效除去边界层中的低能流，从而减弱激波边界层干扰，然而，抽吸和泄流通常需要移除进气道捕获流量的2％左右，因此为了满足进气道流量需求的情况下则要增加进气道的整体尺寸和重量，同时当抽吸出的流体泻出飞行器时，也会增加飞行器的整体阻力。涡流发生器技术(Yue Zhang,Hui-jun Tan,Mo-chen Du,and De-peng Wang,Control of Shock/Boundary-Layer Interaction for Hypersonic Inlets by HighlySwept Microramps,Journal of Propulsion and Power,Vol.31,No. 1,2015.)通过在流场中产生反向旋转涡对来对底部边界层“充能”，从而使得边界层更不易分离，但是在高超声速流动中，涡流发生器由于其尺寸较小，因而其热防护也是一个很严重的问题。磁流体技术(MHD)(苏纬仪，陈立红，张新宇，MHD 控制激波诱导边界层分离的机理，推进技术，Vol.30，No.2，2009.)则是通过在壁面埋入电极以产生等离子体，并采用外加磁场施加洛伦磁力对其进行加速，以带动边界层底部低能流，可使边界层速度型面变得更加饱满。然而，在高超声速飞行器中，MHD技术激励器可靠性设计以及MHD带来的电磁干扰的问题未能得到很好的解决，故MHD控制激波边界层干扰技术仍然处于试验阶段。

因此，在有效降低高超声速进气道唇罩外阻的前提下，对高超声速进气道流场进行有效控制，减弱甚至抑制高超声速进气道因减少外阻而造成的内收缩段强烈的激波边界层干扰现象，改善进气道流场，大大提高进气道性能，具有较高的学术价值和重要的现实意义，为高超声速进气道的工程应用提供技术基础。

发明内容

本发明的目的是提出一种低外阻高超声速进气道，在有效降低高超声速进气道唇罩外部阻力的同时，对高超声速进气道流场进行有效控制，大大提高进气道的总压恢复，显著改善进气道性能。同时，该控制装置结构简单，易于实现。

本发明的技术方案如下：

一种低外阻高超声速进气道，包括进气道主体、进气道唇罩，在进气道主体和进气道唇罩之间形成了进气道的内收缩段，进气道的内收缩段始端为进气道入口，内收缩段末端为进气道喉道，进气道主体包括两级压缩面，进气道第二级压缩面紧邻进气道入口，其特征在于：

该高超声速进气道的内收缩段还包括隔板，隔板呈“拱桥”形状水平放置于进气道的内收缩段内，隔板前缘的水平位置在内收缩段内靠近内收缩段入口处，隔板前缘的高度位置在内收缩段内处于中间处；

隔板上壁面、隔板下壁面均在隔板中间位置往上拱起，且隔板上壁面、隔板下壁面的前、后缘和当地气流方向夹角应尽量小且隔板厚度宜适中，最小则为隔板前缘倒角直径，隔板厚度太大则会减少进气道的有效流通面积，造成流量壅塞，应保证隔板的最大厚度L₄满足0.0295H₂≤L₄≤0.0754H₂，其中H₂为进气道喉道高度；

隔板长度应满足第二道唇口激波入射在隔板后缘处，且第一道唇口激波尽量入射在隔板上壁面膨胀作用剧烈处。

将隔板布置于内收缩段可以尽量使唇口第一道和第二道激波入射到隔板上，作为强度较大的第一道唇口激波让其入射到隔板上壁面膨胀作用剧烈处可以最大程度削弱该激波引起的激波边界层干扰，而第二道唇口激波入射到隔板后缘处可以避免激波汇聚入射到隔板上，所以这样布置隔板可以减弱第一道、第二道唇口激波与进气道下壁面边界层相互干扰，大大提高进气道性能。

所述的高超声速进气道，其特征在于：

所述隔板上壁壁面的前缘切线与进气道第二级压缩面的夹角为θ_3u，满足θ_3u＝-5.367°；

隔板上壁面后缘切线与进气道第二级压缩面的夹角为θ_4u，满足θ_4u＝19°；

隔板下壁面前缘切线与进气道第二级压缩面的夹角为θ_3d，满足θ_3d＝ 7.367°；

隔板下壁面后缘切线与进气道第二级压缩面的夹角为θ_4d，满足θ_4d＝17.5°，

其中，正角度表示切线与进气道第二级压缩面夹角沿着顺时针方向，负角度表示切线与进气道第二级压缩面夹角沿着逆时针方向。

所述隔板前缘与后缘均用半径为R的圆角倒圆，满足R＝0.3mm。

所述隔板前缘的倒圆圆形与后缘的倒圆圆心距离为L₁，满足：

L₁＝2.3295H₂，

所述隔板前缘倒圆的圆心与进气道喉道的水平距离为L₂，满足：

4.6901H₂≤L₂≤5.1806H₂；

所述隔板前缘倒圆圆心与进气道入口与进气道第二级压缩面交界点的垂直距离为L₃，满足：

0.9693H₂≤L₃≤1.1164H₂。

所述的高超声速进气道，其特征在于：隔板上壁面、隔板下壁面的几何构型曲线均采用NURBS艺术样条(Piegl,L.,Tiller,W.,“The NURBS book,”Springer-Verlag BerlinHeidelberg,1997,pp.117.)拟合曲线。

其中，隔板上壁面取5个点进行NURBS艺术样条拟合，5个点分别为：

①隔板上壁面前缘倒圆的起始点；

②在隔板上壁面前缘切线上，并且与隔板上壁面前缘倒圆起始点的距离为隔板上壁面前缘倒圆起始点与隔板上壁面前后缘切线交点距离的0.5倍；

③隔板上壁面前后缘切线的交点；

④在隔板上壁面后缘切线上，并且与隔板上壁面后缘倒圆起始点的距离为隔板上壁面后缘倒圆起始点与隔板上壁面前后缘切线交点距离的0.5倍；

⑤隔板上壁面后缘倒圆的起始点。

隔板下壁面取4个点进行NURBS艺术样条拟合，4个点分别为：

①隔板下壁面前缘倒圆起始点；

②在隔板下壁面前缘切线上，并且与隔板下壁面前后缘切线交点的距离为隔板下壁面前缘起始点与隔板下壁面前后缘切线交点距离的0.25倍；

③在隔板下壁面后缘切线上，并且与隔板下壁面前后缘切线交点的距离为隔板下壁面后缘起始点与隔板下壁面前后缘切线交点距离的0.25倍；

④隔板下壁面后缘倒圆起始点。

附图说明

图1是本发明高超声速进气道结构示意图；

图2是本发明高超声速进气道各部件及相对位置示意图；

图3是本发明高超声速进气道来流为Ma＝6时的无粘马赫数等值图；

图4是本发明高超声速进气道来流为Ma＝6时的有粘马赫数等值图；

图5是本发明高超声速进气道引入隔板且L₁＝2.3295H₂＝47.492mm，取 L₂＝5.1806H₂＝105.617mm，L₃＝0.9693H₂＝19.761mm，L₄＝0.0754H₂，来流为Ma＝6时的马赫数等值图；

图6是本发明高超声速进气道引入隔板且L₁＝2.3295H₂＝47.492mm，取 L₂＝5.1806H₂＝105.617mm，L₃＝1.1164H₂＝22.761mm，L₄＝0.0754H₂，来流为Ma＝6时的马赫数等值图；

图7是本发明高超声速进气道引入隔板且L₁＝2.3295H₂＝47.492mm，取 L₂＝4.6901H₂＝95.615mm，L₃＝0.9693H₂＝19.761mm，L₄＝0.0754H₂，来流为Ma＝6时的马赫数等值图；

图8是本发明高超声速进气道引入隔板且L₁＝2.3295H₂＝47.492mm，取 L₂＝4.6901H₂＝95.615mm，L₃＝1.1164H₂＝22.761mm，L₄＝0.0754H₂，来流为Ma＝6时的马赫数等值图；

图9是本发明高超声速进气道引入隔板且L₁＝2.3295H₂＝47.492mm，取 L₂＝5.1806H₂＝105.617mm，L₃＝0.9693H₂＝19.761mm，L₄＝0.0295H₂，来流为Ma＝6时的马赫数等值图；

本发明的工作原理是，为了获得较低唇罩阻力的高超声速进气道，通常会尽可能地降低唇罩迎风面积，然而如图3所示，在这种情况下，唇口两道激波则会汇聚在一起，造成入射点处边界层分离，从而使得进气道性能大大下降，此时，在进气道的内收缩段内引入隔板，隔板对流场的改善作用体现在以下方面：(a) 隔板的“格挡”作用，使得两道唇口激波分开入射到隔板上，相比较于汇聚的激波入射到进气道壁面上造成的逆压力梯度，分开入射到隔板上的两道唇口激波造成的逆压力梯度则要小的多，所以隔板上的激波边界层干扰得到了有效抑制；(b) 隔板上边界层与进气道下壁面相比则比较薄，速度型面更加饱满，所以边界层更不易分离；(c)对于隔板本身的设计来说，整体设计成上凸构型则是让气流在隔板上壁面产生膨胀波以削弱激波入射带来的压升影响，同时隔板下壁面产生一系列的弱压缩波，从而减弱入射到进气道壁面的激波强度；隔板始端末端尽量设计成与当地气流夹角较小则保证了前缘激波的强度尽量较小，气流流出隔板时，流场尽可能地均匀稳定；隔板长度不宜过长则保证了在能起到控制作用时，尽可能地减少隔板产生的粘性损失以及因为隔板过长而带来的激波反射产生的不必要的激波损失。综上所述，引入隔板之后能够减弱甚至抑制高超声速进气道的内收缩段唇口激波与肩部边界层干扰引起的边界层分离现象，大大提高进气道性能。

具体实施方式

下面结合附图，如图1和图2所示，对本发明提出的一种高超声速进气道进行详细说明。

一种高超声速进气道，包括进气道主体2、进气道唇罩3，在进气道主体和进气道唇罩之间形成了进气道的内收缩段4，进气道的内收缩段4始端为进气道入口5，内收缩段末端为进气道喉道6，进气道第二级压缩面7紧邻进气道入口 5，其特征在于：

该高超声速进气道的内收缩段还包括隔板1，隔板1呈“拱桥”形状水平放置于进气道的内收缩段4内，隔板前缘的水平位置在内收缩段4内靠近内收缩段 4入口处，隔板前缘的高度位置在内收缩段4内处于中间处；

隔板上壁面8、隔板下壁面9均在隔板中间位置往上拱起，且隔板上壁面8、隔板下壁面9的前、后缘和当地气流方向夹角应尽量小且隔板1厚度宜适中，最小则为隔板前缘倒角直径，隔板1厚度太大则会减少进气道的有效流通面积，造成流量壅塞，应保证隔板的最大厚度L₄满足0.0295H₂≤L₄≤0.0754H₂，其中H₂为进气道喉道6高度；

隔板1长度应满足第二道唇口激波11入射在隔板后缘处，且第一道唇口激波10尽量入射在隔板上壁面8膨胀作用剧烈处。

所述的高超声速进气道，其特征在于：

所述隔板上壁面8前缘切线与进气道第二级压缩面7的夹角为θ_3u，满足θ_3u＝-5.367°，

隔板上壁面8后缘切线与进气道第二级压缩面7的夹角为θ_4u，满足θ_4u＝19°,

隔板下壁面9前缘切线与进气道第二级压缩面7的夹角为θ_3d，满足θ_3d＝7.367°，

隔板下壁面9后缘切线与进气道第二级压缩面7的夹角为θ_4d，满足θ_4d＝17.5°；

其中，正角度表示切线与进气道第二级压缩面7夹角沿着顺时针方向，负角度表示切线与进气道第二级压缩面7夹角沿着逆时针方向。

所述隔板1前缘与后缘均用半径为R的圆角倒圆，满足R＝0.3mm。

所述隔板前缘与后缘倒圆圆心距离为L₁，满足：

L₁＝2.3295H₂，

其中H₂为进气道喉道6高度。

所述隔板1前缘倒圆的圆心与进气道喉道6的水平距离为L₂，满足：

4.6901H₂≤L₂≤5.1806H₂；

所述隔板1前缘倒圆圆心与进气道入口5与进气道第二级压缩面7交界点的垂直距离为L₃，满足：

0.9693H₂≤L₃≤1.1164H2，

其中，H₂为进气道喉道6高度。

所述的高超声速进气道，其特征在于：隔板上壁面8、隔板下壁面9的几何构型曲线均采用NURBS艺术样条Piegl,L.,Tiller,W.,“The NURBS book,” Springer-VerlagBerlin Heidelberg,1997,pp.117.)拟合曲线。

其中，隔板上壁面8取5个点进行NURBS艺术样条拟合，5个点分别为：

①隔板上壁面8前缘倒圆的起始点；

②在隔板上壁面8前缘切线上，并且与隔板上壁面8前缘倒圆起始点的距离为隔板上壁面8前缘倒圆起始点与隔板上壁面8前后缘切线交点距离的0.5倍；

③隔板上壁面8前后缘切线的交点；

④在隔板上壁面8后缘切线上，并且与隔板上壁面8后缘倒圆起始点的距离为隔板上壁面8后缘倒圆起始点与隔板上壁面8前后缘切线交点距离的0.5倍；

⑤隔板上壁面8后缘倒圆的起始点。

隔板下壁面9取4个点进行NURBS艺术样条拟合，4个点分别为：

①隔板下壁面9前缘倒圆起始点；

②在隔板下壁面9前缘切线上，并且与隔板下壁面9前后缘切线交点的距离为隔板下壁面9前缘起始点与隔板下壁面9前后缘切线交点距离的0.25倍；

③在隔板下壁面9后缘切线上，并且与隔板下壁面9前后缘切线交点的距离为隔板下壁面9后缘起始点与隔板下壁面9前后缘切线交点距离的0.25倍；

④隔板下壁面9后缘倒圆起始点。

应用实例1

(1)技术指标

工作马赫数范围：Ma 4.0～Ma 6.0，设计马赫数为Ma 6.0。

(2)方案介绍：

设计了一个二级外压缩面的二元高超声速进气道，两级压缩面楔角分别为 12°、8°，喉道高度为H₂＝20.387mm，进气道隔离段长度为喉道高度的8.314 倍，喉道内收缩比为ICR＝1.65，出于热防护考虑，对压缩面前缘及唇罩前缘都进行了钝化处理，钝化圆角半径R＝0.3mm。隔板上壁面前缘切线与进气道第二级压缩面的夹角为θ_3u，满足θ_3u＝-5.367°，隔板上壁面后缘切线与进气道第二级压缩面的夹角为θ_4u，满足θ_4u＝19°,隔板下壁面前缘切线与进气道第二级压缩面的夹角为θ_3d，满足θ_3d＝7.367°，隔板下壁面后缘切线与进气道第二级压缩面的夹角为θ_4d，满足θ_4d＝17.5°，其中，正角度表示切线与进气道第二级压缩面夹角沿着顺时针方向，负角度表示切线与进气道第二级压缩面夹角沿着逆时针方向。隔板前缘与后缘倒圆圆心距离为L₁，满足：L₁＝2.3295H₂，其中H₂为进气道喉道高度。

如图4所示，在内收缩段没有引入隔板之前，在降低唇罩阻力后，内收缩段激波边界层干扰十分剧烈，引发进气道下壁面边界层分离，使得进气道入口前存在大分离包，这大大降低了进气道的总压恢复以及进气道性能，显然是非常不利的。如图5，当引入隔板之后，L₁＝2.3295H₂＝47.492mm，取L₂＝5.1806H₂＝ 105.617mm，L₃＝0.9693H₂＝19.761mm，L₄＝0.0754H₂＝1.537mm，从流场图中可以看到，两道唇口激波分别入射到隔板上，但由于入射点相距较远，并未引起边界层分离，进气道入口前大规模分离包消失，相比于原型进气道，引入了隔板之后大大改善了进气道性能。

应用实例2

在应用实例1中所述的原型高超声速进气道内引入隔板，隔板构型与应用实例1相同，但L₁＝2.3295H₂＝47.492mm，取L₂＝5.1806H₂＝105.617mm， L₃＝1.1164H₂＝22.761mm，L₄＝0.0754H₂＝1.537mm，如图6流场图所示，与无隔板的进气道流场相比较，进气道入口前大规模分离包消失，进气道性能得到了很大的改善。

应用实例3

在应用实例1中所述的原型高超声速进气道内引入隔板，隔板构型与应用实例1相同，但L₁＝2.3295H₂＝47.492mm，取L₂＝4.6901H₂＝95.615mm， L₃＝0.9693H₂＝19.761mm，L₄＝0.0754H₂＝1.537mm，如图7流场图所示，与无隔板的进气道流场相比较，进气道入口前大规模分离包消失，进气道性能得到了很大的改善。

应用实例4

在应用实例1中所述的原型高超声速进气道内引入隔板，隔板构型与应用实例1相同，但L₁＝2.3295H₂＝47.492mm，取L₂＝4.6901H₂＝95.615mm， L₃＝1.1164H₂＝22.761mm，L₄＝0.0754H₂＝1.537mm，如图8流场图所示，与无隔板的进气道流场相比较，进气道入口前大规模分离包消失，进气道性能得到了很大的改善。

应用实例5

在应用实例1中所述的原型高超声速进气道内引入隔板，隔板为等厚度隔板，且L₁＝2.3295H₂＝47.492mm，取L₂＝5.1806H₂＝105.617mm，L₃＝ 0.9693H₂＝19.761mm，L₄＝0.0295H₂＝1.537mm，如图9所示，与无隔板的进气道流场相比较，进气道入口前的大规模分离包消失，进气道性能得到了很大的改善。

表1则是L₁＝2.3295H₂＝47.492mm时，原型高超声速进气道与引入隔板后的总压恢复，对比原型进气道的总压恢复与引入隔板后进气道的总压恢复可以看出，引入隔板后，当隔板处于有效范围内时，总压恢复均有较大幅度的上升，这表明，引入隔板后大大减弱了进气道内激波边界层干扰，改善了进气道性能。

表1

本发明具体应用途径很多，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，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种低外阻高超声速进气道，包括进气道主体(2)、进气道唇罩(3)，在进气道主体和进气道唇罩之间形成了进气道的内收缩段(4)，进气道的内收缩段(4)始端为进气道入口(5)，内收缩段末端为进气道喉道(6)，进气道主体包括两级压缩面，进气道第二级压缩面(7)紧邻进气道入口(5)，其特征在于：

该高超声速进气道的内收缩段还包括隔板(1)，隔板(1)呈“拱桥”形状水平放置于进气道的内收缩段(4)内，隔板前缘的水平位置靠近内收缩段(4)入口处，隔板前缘的高度位置在内收缩段(4)入口中间位置处；

隔板上壁面(8)、隔板下壁面(9)均在隔板中间位置往上拱起，隔板上壁面(8)、隔板下壁面(9)的前、后缘和当地气流方向夹角应尽量小且保证隔板的最大厚度L₄满足0.0295H₂≤L₄≤0.0754H₂，其中H₂为进气道喉道(6)高度；

隔板(1)长度应满足第二道唇口激波(11)入射在隔板后缘处，且第一道唇口激波(10)入射在隔板上壁面(8)膨胀作用剧烈处。

2.根据权利要求1所述的高超声速进气道，其特征在于：

所述隔板上壁面(8)的前缘切线与进气道第二级压缩面(7)的夹角为θ_3u，满足θ_3u＝-5.367°，

隔板上壁面(8)后缘切线与进气道第二级压缩面(7)的夹角为θ_4u，满足θ_4u＝19°，

隔板下壁面(9)前缘切线与进气道第二级压缩面(7)的夹角为θ_3d，满足θ_3d＝7.367°，

隔板下壁面(9)后缘切线与进气道第二级压缩面(7)的夹角为θ_4d，满足θ_4d＝17.5°；

其中，正角度表示切线与进气道第二级压缩面(7)夹角沿着顺时针方向，负角度表示切线与进气道第二级压缩面(7)夹角沿着逆时针方向；

所述隔板(1)前缘与后缘均用半径为R的圆角倒圆，满足R＝0.3mm；

所述隔板前缘的倒圆圆心与后缘的倒圆圆心距离为L₁，满足：

L₁＝2.3295H₂，

所述隔板(1)前缘倒圆的圆心与进气道喉道(6)的水平距离为L₂，满足：

4.6901H₂≤L₂≤5.1806H₂；

所述隔板(1)前缘倒圆圆心与进气道入口(5)与进气道第二级压缩面(7)相交处的垂直距离为L₃，满足：

0.9693H₂≤L₃≤1.1164H₂。

3.根据权利要求2所述的高超声速进气道，其特征在于：隔板上壁面(8)、隔板下壁面(9)的几何构型曲线均采用NURBS艺术样条拟合曲线；

其中，隔板上壁面(8)取5个点进行NURBS艺术样条拟合，5个点分别为：

①隔板上壁面(8)前缘倒圆的起始点；

②在隔板上壁面(8)前缘切线上，并且与隔板上壁面(8)前缘倒圆起始点的距离为隔板上壁面(8)前缘倒圆起始点与隔板上壁面(8)前后缘切线交点距离的0.5倍；

③隔板上壁面(8)前后缘切线的交点；

④在隔板上壁面(8)后缘切线上，并且与隔板上壁面(8)后缘倒圆起始点的距离为隔板上壁面(8)后缘倒圆起始点与隔板上壁面(8)前后缘切线交点距离的0.5倍；

⑤隔板上壁面(8)后缘倒圆的起始点；

隔板下壁面(9)取4个点进行NURBS艺术样条拟合，4个点分别为：

①隔板下壁面(9)前缘倒圆起始点；

②在隔板下壁面(9)前缘切线上，并且与隔板下壁面(9)前后缘切线交点的距离为隔板下壁面(9)前缘倒圆起始点与隔板下壁面(9)前后缘切线交点距离的0.25倍；

③在隔板下壁面(9)后缘切线上，并且与隔板下壁面(9)前后缘切线交点的距离为隔板下壁面(9)后缘倒圆起始点与隔板下壁面(9)前后缘切线交点距离的0.25倍；

④隔板下壁面(9)后缘倒圆起始点。