[发明专利]进出口形状可定制的内乘波式高超声速进气道及设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种进出口形状可定制的内乘波式高超声速进气道及其设计方法，属于高超声速进气道技术领域。

背景技术

高超声速飞行是指马赫数大于5的飞行，它的发展涉及国家安全与和平利用空间，是目前国际竞相争夺空间技术的焦点之一。进气道是高超声速飞行器中的主要部件，它的设计目标是以较小的流动损失为下游的推进系统部件提供尽可能多的高能气流。从技术角度分析，高超声速进气道的设计要求主要有以下几点：①设计状态流量捕获能力强，为推进系统提供尽可能多的流量；②在压缩气流至所需压比的同时，应做到效率(出口总压)高和出口气流畸变小；③设计方案应在结构上对飞行器总体性能有利：长度尽量短、几何形状固定都有利于减轻重量、提高性能；④外流阻力小，这就要求进气道溢流小，且进气道迎风面积与捕获面积之比尽量小；⑤应有尽量宽的工作马赫数范围，因而进气道要能在低M数时自动溢流；⑥应易于实现与飞行器机体一体化设计，因此要求进气道可以在机腹多个并列模块化安装。

目前已经提出的高超声速进气道形式主要包括：二元式进气道、轴对称式进气道、侧压式进气道等。国内外众多学者对它们的设计方法、流动特征、工作特性、工程设计研究等问题开展了广泛而深入的研究。此外，近两年来，研究人员还提出了一些新型先进高超声速进气道设计思路和方案。如：美国约翰霍普金斯大学Billig F.S等提出的流线追踪Busemann进气道，采用流线追踪技术，对Busemann等熵进气道加以改进；美国Astrox公司的Ajay P.K.等提出的“Funnel”型进气道概念，仿照使用锥型流来生成乘波体的思路，使用向内拐折的轴对称流型来生成进气道内表面构形；英国牛津大学提出的模块化收缩式进气道以及美国空军实验室研制的一种Jaw进气道。在美国下一代高超声速推进系统研究计划中，Hycause和FALCON飞行器也都拟采用此类被称为三维内收缩的进气道形式。在国内，南京航空航天大学的黄国平、梁德旺、尤延铖等人率先提出了一类命名为内乘波的三维内收缩进气道，该类进气道以直接流线追踪为主要技术特点，可以在设计状态下以不规则的三维几何外形全流量捕获自由来流，具有较好的性能特点。此外，南京航空航天大学的张堃元，孙波等人在截短Busemann进气道方面也开展了一些相关研究。

纵观以上各类进气道方案，虽然它们都具有一些独特的设计优势和特点，但仍存在一些设计缺陷和性能不足。以典型的截短Busemann进气道为例，由于不具有内乘波的特点，即使在设计状态下，此类进气道的流量捕获系数通常也就在90％左右。而在高超声速推进系统中，10％的流量损失就对应了10％以上的推力损失。以直接流线追踪为技术特点的内乘波式进气道虽然被证明可以100％的捕获自由来流，但是，它复杂的三维外形却限制了它在总体布局中的应用。从布局角度考虑，总体通常希望进气道具有规则的进、出口形状，甚至可以根据飞行器外形要求进行定制设计。如：要求进口水平投影近似矩形，即上表面和两侧壁要求为直线，以满足机体上多个进气道模块并列布置的需要；出口要求为圆或椭圆形，以匹配下游燃烧室。然而，由于三维内收缩进气道固有的特点，现有的各类设计技术都无法在保证进气道气动性能的前提下，实现进气道进、出口外形规则且可定制的要求。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷，提出一种固定几何、设计状态来流激波贴口，低马赫数自动溢流，进、出口投影形状可定制的进出口形状可定制的内乘波式高超声速进气道及设计方法。

本发明的技术解决方案：进出口形状可定制的内乘波式高超声速进气道，其特征是包括进气道收缩段和隔离段，其中进气道收缩段的形状为三维向内收缩。

进出口形状可定制的内乘波式高超声速进气道的设计方法，其特征是以非轴对称内收缩基本流场为基础，所述的非轴对称内收缩基本流场包括轴对称内收缩回转壁面和非轴对称变半径中心体，其中内收缩回转壁而保持不变，而中心体半径是可调节的。

本发明的优点：进出口形状可定制的内乘波式高超声速进气道是一种固定几何进气道。内乘波设计可以保证该进气道全流量捕获来流，增大发动机推力的同时减小外流阻力；在低马赫数情况下又能自动调整溢流，拓宽进气道的工作马赫数范围；进出口形状可以根据布局要求进行定制的特点，易于该进气道实现并列模块化安装或与各类飞行器机体外形的一体化设计。

附图说明

附图1是非轴对称内收缩基本流场示意图。

附图2是进出口形状可定制的内乘波式高超声速进气道进、出口(三角形进口、椭圆形出口)投影形状示意图。