[发明专利]一种双稳态进气道及其作为飞机进气道的应用和双稳态进气道设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞机进气道结构，尤其涉及一种具备双稳态结构的飞机进气道，同时涉及该双稳态进气道的设计方法及其在作为飞机进气道中的应用。

背景技术

推进系统是军用飞机重要部件，它关系到飞行器作战性能和安全工作，而进气道是推进系统中重点之重，它对飞机的飞行性能和寿命周期都有较大的影响。特别对于宽速域、高机动的超音速战斗机来说，进气道必须要在大范围飞行速度和攻角下都保持较好的气动性能和进发匹配特性。

现有的超音速进气道设计过程中往往面临高低速气动构型之间的矛盾：低速时，进气道需要大流通面积和钝唇缘，满足发动机大流量需求和避免飞机起飞时存在流动分离；高速时进气道要求小流通面积和尖唇缘，满足发动机小流量需求和降低飞行阻力。因此，超音速进气道设计过程中很难设计在整个飞行包线内保持高性能的进气道。

随着智能材料和结构的发展，提出了适应不同飞行状态的可变形进气道概念。通过采用智能材料局部改善进气道的几何特性，如改变唇口形状、压缩面型面等调节进气道捕获面积和喉道面积，从而满足不同飞行状态下的发动机流量需求并改善进发匹配特性。

申请号为201010261182.X的中国专利申请公开了一种应用于飞机发动机的形状记忆聚合物管道及其作为飞机发动机进气道的应用。该发明技术方案中，采用形状记忆聚合物制成进气道，通过加热装置控制形状记忆聚合物的温度，使得进气道结构产生主动变形，提高了进气道效率和进发匹配特性。该发明进一步公开了制作形状记忆聚合物管道的形状记忆复合材料成分。该专利中并没有对可变形进气道进行具体的设计。

形状记忆聚合物制成的结构在变形时依赖于温度和时间，在实际应用时温度不容易控制，而且结构比较大时，温度变化需要一定时间，会影响结构响应速度。

双稳态薄壳结构是一种在驱动力作用下可以从初始构型跳跃到第二稳定构型的结构，目前对于该结构的设计主要是确定临界载荷使得结构稳定在初始构型不发生跳跃，如石油化工行业中的压力容器和大型储油罐的顶盖。

鼓包(Bump)进气道作为一种先进进气道，通过简单的三维型面解决了隐身设计、飞机重量、成本和空间增加的问题。但是该鼓包形状不能变化，只能在设计飞行速度水平发挥最大特性，当飞行速度变化时，仍然面临进气道效率和进发匹配特性下降问题。

鼓包进气道的型面为薄壳结构，为双稳态薄壳结构的应用提供了条件。因此在鼓包进气道型面上采用双稳态结构，对结构的变形机理进行研究以及开展双稳态结构鼓包进气道设计是一种可变形进气道研究的新思路。

发明内容

技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种具有双稳态结构的飞机进气道，尤其应用于鼓包进气道，该进气道可主动变形适应飞机飞行状态的变化，同时也提供一种该双稳态鼓包进气道的设计方法，以及其在飞机进气道中的应用。

技术方案

为了解决上述的技术问题，本发明的具有双稳态结构的飞机进气道上设置有至少一个双稳态结构区域，所述的双稳态结构区域根据飞机进气道的不同形式进行不同形式的设置，当飞机具有独立的进气管道时，所述的双稳态结构可设置在进气管道壁上；当飞机的进气区域由进气道外罩和机身鼓包型面给成时，所述的双稳态结构可设置在机身鼓包型面的鼓包区域。

更进一步地，所述的双稳态结构区域具有作为初始稳定状态的第一稳定构型，以及使得进气区域增大的第二稳定构型，所述的第一稳定构型和第二稳定构型对飞机飞有重要意义，当飞机高速飞行时，双稳态构型处于初始稳定构型，此时鼓包型面的喉道面积较小，满足发动机小流量需求；当飞机低速飞行时，通过机身内侧的驱动装置驱动双稳态结构转变到第二稳定构型，使得鼓包型面喉道面积增大，满足发动机大流量需求。

更进一步地，所述的双稳态结构区域整体呈圆形或者椭圆形，也可以是在实际应用中需要的其他形状。

所述的双稳态结构区域应用于飞机进气道时，其利用双稳态结构在驱动力作用下可以从初始构型跳跃到第二平衡构型的特性，在例如鼓包进气道压缩型面的适当位置采用该结构，实现进气道压缩型面的局部可调变形，以满足不同飞行状态的需要。

本发明的技术方案同时提供一种双稳态进气道的设计方法，其主要任务是对双稳态结构区域进行设计，以确定其结构参数。以下以应用于鼓包进气道的双稳态结构区域为例，结合必要的附图，具体设计方法包括下列步骤：

步骤一：选取鼓包进气道喉道区域型面作为变形型面，根据变形型面的形状选择合适的双稳态薄壳结构力学模型，确定模型的形状设计参数。