橫向壓力梯度可控的鼓包設計方法與流程

2023-10-25 04:55:52 1

本發明涉及超音速飛行器，尤其是涉及一種橫向壓力梯度可控的鼓包設計方法。

背景技術：
超音速飛行器的發展涉及國家安全與和平利用空間，是目前國際競相爭奪空間技術的焦點之一。自從20世紀60年代以來，大量的實驗研究表明，推進系統是實現超音速飛行的基礎，而這其中進氣道的設計則是一個重要的環節。傳統的進氣道在設計時，考慮到附面層的影響，通常會設有附面層隔道與吸除/抽吸裝置。而這對於飛行器的飛行與隱身要求顯然是不利的。20世紀90年代，美國的洛克希德·馬丁公司開始探索一種新的進氣道設計方法，在研究中提出了無附面層隔道超音速進氣道(Diverter-lessSupersonicInlet縮寫為DSI)的新概念，DSI進氣道即為鼓包進氣道(楊應凱.Bump進氣道設計與試驗研究[J].空氣動力學學報,2007,03期(3):336-338)。傳統的鼓包進氣道是基於圓錐形流場，採用乘波理論設計的，圓錐激波附著在鼓包壓縮面的邊緣。源於錐形流動的基本特點，在圓錐形激波的波後會存在較大的橫向壓力梯度，從而使得大部分的附面層被吹出進氣道。鼓包進氣道與傳統的超音速進氣道相比，取消了附面層隔道，洩放系統，旁路系統，使得飛行器在性能、機動、隱身、結構和質量等方面具有獨特的優勢。因此相比於傳統的進氣道，鼓包進氣道使得飛機的阻力更小，重量更輕，可靠性更高(朱宇,李天.Bump進氣道設計研究[C]//首屆全國航空航天領域中的力學問題學術研討會論文集(上冊).2004)。現階段設計鼓包進氣道的方法主要有兩種：一種是根據錐形流理論，給定一個圓錐形流場，利用乘波理論進行鼓包設計；另一種則是基於吻切乘波設計理論，進行鼓包設計。雖然上述兩種方法設計的鼓包進氣道相對於傳統的超音速進氣道有很大的優勢，但是此法設計出的鼓包進氣道仍有一定的缺陷。鼓包進氣道的壓縮面上雖然存在流向與橫向的壓力梯度，但是橫向壓力梯度的分布仍然是不可控的。而目前科研人員也沒有發現有效的方法，使得橫向壓力梯度分布得到控制。

技術實現要素：
本發明的目的旨在提供可提高鼓包對附面層吹除能力的橫向壓力梯度可控的鼓包設計方法。本發明包括以下步驟：1)獲得所需的壓力梯度分布，具體方法如下：將鼓包的前緣壓縮型線離散成一系列的點，每個點在截面中的流向壓力梯度分布趨勢呈線性增長，改變各個流向截面中壓力分布曲線的斜率，以此控制橫向壓力梯度的分布；在步驟1)中，所述改變各個流向截面中壓力分布曲線的斜率時，指定各直線的斜率由中間向兩側逐漸降低。2)利用逆向特徵線法求得所需的壓縮型面，具體方法如下：根據給定的來流條件和流向壓力分布曲線，採用特徵線法逆向求解該截面內的壓縮型線，並最終構成橫向壓力梯度可控的鼓包壓縮型面，在給定來流參數和流向壓力分布曲線的條件下，在前緣激波的起點定義出一塊小區域，以右行特徵線為特徵線邊界條件，配合對應橫坐標的壓力值，求解得到該流向截面內的壓縮型線；將鼓包的前緣壓縮型線中各離散點所在流向截面內得到的壓縮型線組合得到鼓包壓縮型面；3)形成鼓包的下表面，具體方法如下：將鼓包的前緣壓縮型線沿著流向追蹤至設計截面即可獲得鼓包的下表面。本發明的技術解決方案：橫向壓力梯度可控的鼓包進氣道的結構包括鼓包和進氣道唇罩，而這其中最主要的是鼓包的設計。鼓包表面橫向壓力梯度的控制主要是通過構造由中間向兩側遞減的壓力分布規律，將前緣曲線離散化，根據不同截面內的壓力梯度，利用逆向特徵線法求取對應的壓縮型面實現的，以此實現鼓包進氣道橫向壓力梯度的控制。本發明的優點：橫向壓力梯度可控的鼓包進氣道的設計方法，一方面具備了傳統鼓包進氣道的優點，取消了附面層隔道、洩放系統和旁路系統，使得飛行器的結構更輕，阻力更小，可靠性更高；另一方面，考慮了鼓包的橫向壓力梯度以後，能夠控制鼓包表面橫向壓力梯度的分布，改善了鼓包進氣道對附面層的吹除能力。附圖說明圖1是橫向壓力梯度可控的鼓包進氣道正視圖；圖2是三個不同流向截面上的流向壓力梯度分布；圖3是逆向特徵線法的求解示意圖；圖4是橫向壓力梯度可控的鼓包示意圖。圖中各標記為：1表示橫向壓力梯度可控的鼓包進氣道的對稱截面、2表示距離該鼓包進氣道邊緣1/4處的截面、3表示緊靠該鼓包進氣道邊緣的截面、4表示鼓包進氣道唇口的形狀、5表示鼓包進氣道鼓包所產生的三維激波曲線、6表示鼓包的前緣壓縮型線、7表示鼓包的前緣上表面型線、8表示1截面的流向壓力分布曲線、9表示2截面內的流向壓力分布曲線、10表示3平面內的流向壓力分布曲線、11表示該流向內對應橫坐標X的壓力值P(X)、12表示該流向截面內的激波、13表示該流向截面內的壓縮型線、14表示橫向壓力梯度可控的鼓包壓縮型面。具體實施方式參見圖1～4，以下給出本發明所述橫向壓力梯度可控的鼓包設計方法：1.獲得所需的壓力梯度分布。將鼓包的前緣壓縮型線6離散成一系列的點，每個點在截面中的流向壓力梯度分布趨勢如圖2所示，呈線性增長。本發明中僅僅以三個不同截面1、2、3為例，截面內的流向壓力分布曲線分別為8、9、10。改變各個流向截面中壓力分布曲線的斜率，以此控制橫向壓力梯度的分布。在控制斜率時，本發明指定各直線的斜率由中間向兩側逐漸降低。2.利用逆向特徵線法求得所需的壓縮型面。根據給定的來流條件和流向壓力分布曲線8、9、10，採用特徵線法逆向求解該截面內的壓縮型線13，並最終構成橫向壓力梯度可控的鼓包壓縮型面14。具體的求解過程如圖3所示。在給定來流參數和流向壓力分布曲線8、9、10的條件下，可以在前緣激波的起點定義出一塊很小的區域OBC。以右行特徵線BC為特徵線邊界條件P0，配合對應橫坐標X的壓力值11，求解得到該流向截面內的壓縮型線13。將鼓包的前緣壓縮型線6中各離散點所在流向截面內得到的壓縮型線13組合得到鼓包壓縮型面14。3.形成鼓包的下表面。將鼓包的前緣壓縮型線6沿著流向追蹤至設計截面即可獲得鼓包的下表面。