[发明专利]单自由度控制的组合动力可调进气道及其设计方法

说明书

本发明公开了一种单自由度控制的组合动力可调进气道及其设计方法，该进气道由一级弯曲压缩面、二级可调压缩面、固定唇罩、喉道等直段、方转圆扩张段组成。其特征在于：提供一种“曲面+楔面”组合的外压段波系组合配置，应用于二元超声速进气道外压段顶板转动变几何方案中，保证组合动力可调进气道在各马赫数下均能正常工作，同时解决超声速进气道低马赫起动能力以及高马赫数气动性能无法兼顾的矛盾。可调二级压缩面为整个进气道唯一运动部件，通过一个电机实现对进气道二级压缩角和喉道高度两个几何参数的单自由度控制。

技术领域

本发明涉及一种单自由度控制的组合动力可调进气道及其设计方法，属于组合动力进气道设计技术领域。

背景技术

吸气式高超声速推进技术已经成为当前国际航空航天界的研究热点之一，进气道作为吸气式高超声速推进系统的关键气动部件，其设计形式和工作特性直接影响着推进系统整体效能的发挥，然而进气道在设计状态下的优良气动性能不能保证其在所有关键的工作状态下均能正常稳定地工作，低马赫数下的起动能力与高赫数下性能间的矛盾已成为制约宽速域飞行的一个突出问题,常规的定几何进气道无法满足高超声速飞行器宽马赫数飞行要求，为拓宽进气道工作范围,变几何方案是必然的发展趋势。另外对于RBCC(火箭基组合循环)和TBCC(涡轮基组合循环)这类组合动力装置，变几何进气道也是解决各推进循环之间协调工作和实现模态转换的最佳选择。

二元超声速进气道由于其设计方法成熟、易于实现飞行器/进气道一体化设计等优点引起国内外众多学者关注，并且已成功应用到诸多飞行试验中。常见的针对二元超声速变几何技术主要有以下几类：美国X-43A唇口转动式变几何方案；法国ONERA唇口伸缩的平动式变几何方案；日本ATREX可调顶板的变几何方案。

另外按照外压段压缩面形式将二元超声速进气道分成常规多级楔面压缩进气道和曲面压缩进气道，前者通过外压段分段产生的多道斜激波实现对气流的减速增压，该类二元进气道波系结构简单，设计周期短，包括美国的X-43A、X-51A以及澳大利亚的Hyshot多采用常规二级或三级外压缩形式，该类外压波系压缩效率一般，外压段长度较长，但是灵活程度高，外压段每块转板均可以绕固定铰链进行转动，不过调节过程往往需要多自由度调节(不同来流马赫数下常需要调节多级转板)，调节机构设计较为困难；而后者则是通过一道弯曲激波实现对气流的减速增压，压缩效率高，其设计相对复杂，设计方法多采用特征线方法进行正向或者反向设计，但是单一的曲面压缩由于不存在二级可转动压缩面，若采用顶板转动变几何调节时气流会经历压缩-膨胀-再压缩的过程，这对于进气道性能提升是不利的。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种单自由度控制的组合动力可调进气道及其设计方法，应用于二元超声速进气道外压段顶板转动变几何方案中，保证单自由度控制的组合动力可调进气道在宽速域范围内能正常工作，同时解决超声速进气道低马赫起动能力以及高马赫数气动性能无法兼顾的矛盾，满足各工况下进气道的气动性能要求。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种单自由度控制的组合动力可调进气道，其特征是，包括依次连接的一级弯曲压缩面、二级可调压缩面、进气道喉道等直段和涡轮通道扩压器；所述二级可调压缩面的上方设置有进气道唇罩；所述一级弯曲压缩面和二级可调压缩面通过固定铰链相连接；所述一级弯曲压缩面和二级可调压缩面的同一侧设置有进气道侧板；所述进气道侧板还与进气道唇罩连接；所述涡轮通道扩压器采用方转圆扩张结构。

一种单自由度控制的组合动力可调进气道的设计方法，其特征是，所述进气道的外压段波系配置采用“曲面+楔面”的组合方案，一级弯曲压缩面即为曲面，二级可调压缩面即为楔面，其中曲面的压缩面采用特征线方法反向设计生成，楔面的压缩面根据斜激波理论在弯曲壁面后构建出来的第二级压缩面，楔面的压缩面一端延伸至喉道部位，另一端绕一固定铰链与曲面的压缩面连接并转动。

前述的一种单自由度控制的组合动力可调进气道的设计方法，其特征是，包括如下步骤：