[发明专利]高超声速飞行器与进气道内外乘波一体化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及临近空间飞行器，尤其是涉及一种高超声速飞行器与进气道内外乘波一体化设计方法。

背景技术

临近空间飞行器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，而临近空间高超声速远程机动飞行器的研究又因其重要的战略意义成为临近空间飞行器发展的重中之重。以美国、俄罗斯为代表的世界强国都在大力推进各自的高超声速飞行研制计划。自上世纪60年代以来的大量研究充分说明，飞机器与推进系统的一体化设计是实现高超声速飞行的关键，而机体与推进系统一体化的核心则是飞行器和进气道的一体化。近半个世纪来，许多学者在飞行器外形设计和高超声速进气道研究方面开展了细致的研究工作，从目前的研究热点和趋势看，外乘波体飞行器设计和三维内收缩进气道研究已经成为两个领域内公认的先进设计方法和领先技术。

从目前各国公布的航天计划来看，乘波前体外形已经成为多数国家选用的单级入轨飞行器或双级入轨第一级飞行器的基本构型。外乘波体外形特点是可以保证所有前缘都具有附体的激波，从而阻隔了飞行器上下表面的流动，因此在获得相同升力的情况下，外乘波体可以获得比常规飞行器构型高得多的升阻比。关于飞行器乘波构型的研究已经十分深入，国外学者对它的研究文献不下百篇，其中Jones和Lewis（M.Lewis,A Hypersonic Propulsion Airframe Integration Overview,39th AIAA与ASME与SAE与ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit,2003）的综述很详细的归纳总结了外乘波体设计方法的技术特点和发展历程。按照外乘波体设计理论与方法分，外乘波体设计主要包括两类,即指定激波生成体方法和不需要生成体而直接指定期望的激波形状的密切锥方法。其中，由于可以指定激波在展向的形状，密切锥方法较指定激波生成体方法更具有一般性，且它更适合于高超声速飞行器前体与进气道一体化设计研究。此外，国内外很多学者还就外乘波体外形优化与工程设计方面开展了深入而细致的研究。从效果上说，目前的外乘波体设计已经可以实现：对于任意给定的等波强三维激波形状，反设计出与之匹配的外乘波体构型，即实现给定激波形状条件下的三维外乘波体设计。

进气道是高超声速飞行器推进系统中的主要部件。它位于飞行器的前部，直接与高超声速飞行器前体相连接，起着压缩来流，为下游提供尽可能多高能气流的作用。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。为了实现以上目标，人们提出了一系列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，并就它们的设计方法、流动特征、工作特性、工程设计研究等问题开展了研究。此外，近两年来，国外研究人员还提出了一系列三维内收缩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F.S.Billig等提出的流线追踪Busemann进气道（O’Brien,T.F.and Colville,J.R.,Analytical Computation of Leading Edge Truncation Effects on InviscidBusemann Inlet Performance,45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit,2007）；美国Astrox公司的P.K.Ajay等提出的“Funnel”型进气道概念（Billig,F.S.and Kothari,A.P.,Streamline Tracing:Technique for Designing Hypersonic Vehicles,Journal of Propulsion and Power,Vol.16,No.3,2000,pp.465-471）；美国航天宇航研究中心的M.K.Smart等提出的将矩形进口光滑转为椭圆形出口（Smart,M.K.and Trexler,C.A.,Mach4Performance of a Fixed-Geometry Hypersonic Inlet with Rectangular-to-Elliptical Shape Transition,41st AIAA Aerospace Sciences Meeting&Exhibit,2002）的思路；英国牛津大学提出的模块化乘波式进气道等。在国内，尤延铖等学者率先将外流乘波理论运用在进气道内流研究中，提出了一种被称为内乘波式的三维内收缩高超声速进气道。数值模拟和高焓风洞试验证实：设计状态下，该进气道在可以全流量捕获来流；在非设计状态，该类进气道可以通过进口的自动溢流，明显改善低马赫数工作能力，因而具有较好的总体特性。