[发明专利]一种能够抑制高超声速边界层转捩的大尺寸缝隙微结构

说明书

本发明涉及一种能够抑制高超声速边界层转捩的大尺寸缝隙微结构，属于航空航天领域。本发明通过建立孔深与扰动波反射角之间的关系，使扰动波反射方向能够人为控制，打破传统的反射规律。本发明的大尺寸缝隙微结构的间隙s扩大到与扰动波波长相等；而传统的抑制高超声速边界层转捩的缝隙结构将间隙s限制在远小于扰动波波长的范围内，间隙s的扩大使得材料更易于实际工程加工。本发明能够更为有效的抑制壁面边界层内的Mack第二模态的发展，进而有效抑制转捩，扩大层流覆盖区域。将大尺寸缝隙微结构应用于高超声速飞行器表面蒙皮，会有效抑制转捩，并最终达到热防护和减小阻力的目的。

技术领域

本发明涉及一种能够抑制高超声速边界层转捩的大尺寸缝隙微结构，尤其涉及抑制边界层内Mack第二模态不稳定波的可控反射方向型大尺寸微缝隙结构的优化设计方法，属于航空航天领域。

背景技术

高超声速飞行器具备全球快速达到、探测难度大、突防能力强、作战效能高等特点，已成为国际竞争的主要焦点之一。高超声速飞行器在发展过程中屡受挫折，如美国HTV-2项目两次飞行实验失败，美国和澳大利亚联合实施的HIFiRE-5首飞失败等，其主要原因是高超声速技术存在众多未知领域，边界层转捩是其中一个十分重要且不可避免的不确定因素。高超声速飞行器的飞行高度、速度和雷诺数范围内恰恰非常容易出现边界层转捩，且转捩后摩阻和热流一般可增大3-5倍，严重影响气动性能和热防护系统。因此，高超声速飞行器对如何有效抑制转捩有着迫切的需求，是目前国内外高超声速领域的研究热点。

对高超声速飞行器转捩抑制的研究，主要集中在如何更为有效地抑制边界层内Mack第二模态的发展。多孔覆盖层在不明显影响主流的前提下，通过自身的声学特性设计，能够有效抑制第二模态的发展，是最有可能投入工程实践的技术之一。多孔覆盖层是指在壁面加工一系列远小于扰动波波长的缝/孔。在高超风洞实验中已经证实了这项技术能够显著延迟转捩。

目前有两类多孔覆盖层，一类是吸声型多孔覆盖层，通过孔内粘性来耗散吸收扰动波的能量，从而达到抑制Mack第二模态发展的目的。另一类是阻抗型多孔覆盖层，当入射媒介阻抗小于空间媒介阻抗时，反射波的声压与入射波的声压幅值相等、相位相反，此时壁面处的压力脉动呈“互相抵消”状态，相较于前述第一类吸声型多孔覆盖层，可以更有效地抑制Mack第二模态发展，从而抑制转捩的发生。前述两类多孔覆盖层都为均匀孔排列，即所有孔的形状参数相等，通过孔的吸声特性或阻抗特性来抑制Mack第二模态的发展。已有多孔覆盖层须将孔径和相邻孔隙间距限制在远小于扰动波波长的范围内，若孔径或相邻孔隙间距大于等于波长，则会由于孔隙间共振而引发其他不稳定模态，促进转捩的发生，这一限制使得材料不易于工程加工。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有多孔覆盖层对孔隙结构尺寸的限制导致不易工程加工的问题，本发明公开的一种能够抑制高超声速边界层转捩的大尺寸缝隙微结构要解决的技术问题是：通过利用多孔覆盖层可以控制声波反射方向的特性来抑制高超声速边界层转捩，大尺寸缝隙微结构能够突破对孔径和相邻孔隙间距的尺寸限制。

本发明目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种能够抑制高超声速边界层转捩的大尺寸缝隙微结构，实现方法包括如下步骤：

步骤一、定义缝隙结构形状参数和入射波参数。

所述可抑制高超声速边界层转捩的大尺寸缝隙微结构，由在xz平面上周期规律分布的多个展向缝隙组组成，所述的缝隙组由N个缝隙构成(N1)，定义N为周期缝隙数，单个缝隙的边长为2b，孔深为H_a(a＝1～N)，相邻缝隙间的间距为s。定义孔深方向为y方向，与孔深方向垂直的材料表面平面定义为xz平面；定义流向为x方向，展向为z方向。无量纲几何参数孔隙率φ由上述参数表示为φ＝2b/s，无量纲几何参数宽深比Ar由上述参数表示为Ar＝2b/H。入射波频率为f，入射波波长为λ。

步骤二、确定反射角与缝隙结构形状参数和入射波参数的关系。

广义斯奈尔定律表达式为：