一种适用于高超声速连续变马赫数的喷管制造技术

本申请公开了一种适用于高超声速连续变马赫数的喷管，该喷管包括：相对设置的气动型面板和平板型面板，以及两块侧面面板，所述两块侧面面板连接于所述气动型面板和所述平板型面板之间构成收缩

【技术实现步骤摘要】
一种适用于高超声速连续变马赫数的喷管


[0001]本专利技术涉及超/高超声速风洞领域，更具体地，涉及一种适用于高超声速连续变马赫数的喷管。

技术介绍

[0002]风洞是飞行器研制和空气动力学研究最基本的试验设备，地面风洞试验也成为了空中试飞前不可或缺的研究步骤，迄今为止绝大部分空气动力学和飞行器研发试验都是在风洞中完成的。常规固定马赫数风洞无法为飞行器提供连续而稳定的变马赫数流场，但是随着可重复使用航天运载器(RLV)、高超声速飞机和高超声速巡航导弹等组合循环动力飞行器的出现，关于“模态转换性能”的研发，如飞行包线、进气道启动、新型碳氢燃料燃烧、点熄火和机动过载等问题，都需要在试飞前进行变马赫地面试验。
[0003]对于风洞设备而言，喷管是形成所需马赫数来流的核心设备，当喷管上下游的总温和总压在合适范围内，连续的变马赫数流场主要依靠喷管进行连续作动改变喷管喉道面积和出口面积的比值来建立的，因此，地面试验连续变马赫数技术在于变马赫数喷管的研究。对于变马赫喷管而言，需要采用加装水冷系统的刚体喷管，才能应对马赫数5下1100～1200K的来流总温，同时还需要考虑马赫数变化时，喷管型线畸变对流场品质的影响。
[0004]目前的喷管具有以下问题：
[0005]a.型线变化导致流场畸变：
[0006]若喷管采用刚体旋转壁面，选择的型面变动会导致流场畸变，导致单喷管变马赫范围难以突破2个马赫数，并且难以跨过高超声速；
[0007]b.高马赫数下真实高来流总温：
[0008]若喷管采用柔性壁面，则无法加装水冷系统，因此无法承受高温来流，无法模拟马赫4以上的真实来流总温；
[0009]c.作动复杂：
[0010]若喷管采用柔性壁面，柔性壁面多点作动和刚体旋转喷管旋转作动对用的作动机构和控制方法都十分复杂，导致喷管流场难以连续精准控制。
[0011]因此，期待一种新型的高超声速连续变马赫数的喷管，能够解决上述问题。

技术实现思路

[0012]本专利技术提出了一种适用于高超声速连续变马赫数的喷管，其可用于高温来流气体，模拟高马赫数高空的真实环境，并能拓宽变马赫范围。
[0013]第一方面，本公开实施例提供了一种适用于高超声速连续变马赫数的喷管，包括：
[0014]相对设置的气动型面板和平板型面板，以及两块侧面面板，所述两块侧面面板连接于所述气动型面板和所述平板型面板之间构成收缩
‑
扩张通道,所述平板型面板与气流方向平行，所述气动型面板和所述平板型面板能够沿垂直于所述气流方向相互靠近或远离，以使所述喷管的出口面积和喉道面积发生改变，且所述出口面积和所述喉道面积改变
的比例不同；
[0015]当所述气动型面板和所述平板型面板相互靠近时，所述喷管的出口面积和喉道面积之比增大，所述喷管出口的马赫数提高；当所述气动型面板和所述平板型面板相互远离时，所述喷管的出口面积和喉道面积之比减小，所述喷管出口的马赫数降低。
[0016]可选方案中，所述气动型面板和所述平板型面板均为刚体结构。
[0017]可选方案中，所述气动型面板和所述平板型面板内均设有冷却单元。
[0018]可选方案中，所述冷却单元包括靠近所述通道且设置由多个水冷通道组成的夹套水冷结构。
[0019]可选方案中，所述收缩
‑
扩张通道的截面为矩形。
[0020]可选方案中，所述气动型面板固定设置，所述平板型面板设于所述气动型面板下方且所述平板型面板下方设有升降机构，所述升降机构用于驱动所述平板型面板运动，以靠近或远离所述气动型面板。
[0021]可选方案中，所述升降机构包括根据喷管长度设计的一个或多个等距设置的螺旋升降机。
[0022]可选方案中，所述气动型面板的气动面为曲线型，通过以下步骤获得所述气动面：
[0023]步骤1：确定马赫数变化范围[M1,M2]；
[0024]步骤2：根据所述马赫数变化范围，选取基准马赫数M0，所述基准马赫数M0的选值范围为基于所述基准马赫数计算无粘型线；
[0025]步骤3：将所述无粘型线在不同马赫数下进行二维无粘型线的CFD计算；当无粘型线的CFD流场均匀性达到设定范围内，认为该无粘型线在全部马赫数范围内符合需求，否则重新选取基准马赫数并重复所述步骤2和步骤3；
[0026]步骤4：得到符合全部马赫数范围内符合需求的无粘型线后，给定粘性修正系数ξ对型线进行粘性修正，当修正后得到的粘型线在全部马赫数的CFD结果均匀性达到设定值范围内，认为该型线在全部马赫数范围内符合需求，得到所述气动型面板的气动面曲线型，否则重新选取粘性修正系数并重复所述步骤4。
[0027]可选方案中，所述步骤2基于所述基准马赫数计算无粘型线包括：
[0028]通过二维无粘型线的CFD结果，进行优化迭代得到所述基准马赫数M0，当无粘型线在基准马赫数M0的CFD流场均匀性达到设定范围内，认为该无粘型线计算正确，否则重新计算该基准马赫数下的无粘型线。
[0029]本专利技术有益效果在于：
[0030]喷管采用半喷管的形式，通过使气动型面板和平板型面板沿垂直于气流方向相互靠近或远离，可以得到连续变马赫数流场。将单喷管的变马赫范围从以往最大的2个马赫数拓展至2.5～3个马赫数，并且不会发生喷管型面变形导致的流场畸变。喷管自身特性决定了该喷管适用于高超声速马赫数范围，可以将马赫数变化范围拓展至5以上。
[0031]喷管气动型面板和所述平板型面板均为刚体结构可同时加装水冷系统，作动简单，可长时间承受1600K高温来流气体。
[0032]本专利技术的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实
施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本专利技术的特定原理。
附图说明
[0033]通过结合附图对本专利技术示例性实施例进行更详细的描述，本专利技术的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本专利技术示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0034]图1示出了根据本专利技术一实施例的喷管的单侧下平移半壁喷管气动原理示意图。
[0035]图2示出了根据本专利技术一实施例的喷管的单侧平移半壁喷管的工程原理示意图。
[0036]图3示出了根据本专利技术一实施例的喷管无量纲平移距离与马赫数对应曲线图。
[0037]图4示出了根据本专利技术一实施例的喷管在平板型面板位移0.02/s时半壁喷管马赫数变化速率曲线图。
[0038]图5示出了根据本专利技术一实施例的喷管的喷管边界层修正原理图。
[0039]图6示出了根据本专利技术一实施例的喷管的喷管型线计算逻辑图。
[0040]图7示出了根据本专利技术一实施例的喷管的示例喷管在基础马赫数下无粘二维CFD计算结果图。
[0041]图8示出了根据本专利技术一实施例的喷管本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于高超声速连续变马赫数的喷管，其特征在于，包括：相对设置的气动型面板和平板型面板，以及两块侧面面板，所述两块侧面面板连接于所述气动型面板和所述平板型面板之间构成收缩
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扩张通道,所述平板型面板与气流方向平行，所述气动型面板和所述平板型面板能够沿垂直于所述气流方向相互靠近或远离，以使所述喷管的出口面积和喉道面积发生改变，且所述出口面积和所述喉道面积改变的比例不同；当所述气动型面板和所述平板型面板相互靠近时，所述喷管的出口面积和喉道面积之比增大，所述喷管出口的马赫数提高；当所述气动型面板和所述平板型面板相互远离时，所述喷管的出口面积和喉道面积之比减小，所述喷管出口的马赫数降低。2.根据权利要求1所述的适用于高超声速连续变马赫数的喷管，其特征在于，所述气动型面板和所述平板型面板均为刚体结构。3.根据权利要求2所述的适用于高超声速连续变马赫数的喷管，其特征在于，所述气动型面板和所述平板型面板内均设有冷却单元。4.根据权利要求3所述的适用于高超声速连续变马赫数的喷管，其特征在于，所述冷却单元包括靠近所述通道且设置由多个水冷通道组成的夹套水冷结构。5.根据权利要求1所述的适用于高超声速连续变马赫数的喷管，其特征在于，所述收缩
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扩张通道的截面为矩形。6.根据权利要求1所述的适用于高超声速连续变马赫数的喷管，其特征在于，所述气动型面板固定设置，所述平板型面板设于所述气动型面板下方且所述平板型面板下方设有升降机构，所述升...

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑞祥，韩子健，王铁进，马利川，刘怀印，石运军，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：