形状记忆合金在飞行器进气道中的应用研究进展

进气道作为发动机上游的重要气动部件,其性能对整个飞行器的工作效率和运行能力都有着重要影响。本文首先详细阐述了进气道的几何调节需求,指出了传统机械调节方案存在的不足以及形状记忆合金在可调进气道中诱人的应用前景,而后简单介绍了形状记忆合金的基本特性和典型航空应用进展。最后,总结了形状记忆合金在飞行器进气道中的应用情况,重点介绍了美国SAMPSON计划在智能进气道领域所取得的成果。     

内转式进气道与飞行器前体的一体化设计综述

飞行器前体/高超声速内转式进气道的一体化设计已经成为吸气式高超声速推进系统研究的一个热点。从气动设计角度分析了高超声速内转式进气道及其与飞行器前体的一体化设计方法。内转式进气道的设计方法主要包括直接流线追踪方法、基于均匀来流的吻切流设计方法和基于前体非均匀来流的内转式进气道设计方法。基于内转式进气道的一体化设计主要包括正对来流的独立进气方式以及利用前体预压缩进气方式两类,结合内转式进气道的设计方法对这两者进行了深入分析。根据分析,基于均匀来流条件的内转式进气道的设计方法得到了深入发展,但还有必要进一步发展非均匀来流条件下的设计方法以提升一体化设计的灵活性;此外,随着内转式进气道设计方法的深入发展,一体化设计也将得到进一步发展。     

航空发动机进发匹配优化研究

为降低进气压力畸变对发动机的需用稳定裕度需求,分别从发动机和进气道2个方面开展优化匹配研究。在发动机方面,通过降低转速的方式来降低进气畸变,评估结果表明:采用该方案对发动机剩余裕度增大效果不明显。在进气道方面,局部优化进气道防护网结构,经过进发联合试验验证表明:采用该措施可降低进气压力畸变相对量20.4%～32.6%。经过发动机逼喘试验验证,畸变改善效果显著,大大降低了发动机喘振概率,可在现役飞机进气道上推广使用。     

冲压发动机燃烧室进气畸变模拟装置设计及试验

设计畸变模拟装置是冲压发动机中解决进气道和燃烧室匹配问题的一个经济有效的手段.提出采用非均匀开孔率孔板作为进气畸变模拟装置.研究结果表明,因孔板局部位置堵塞比存在差异,气流经过后,下游截面的流量、压力和马赫数会产生梯度变化,进而形成畸变流场,通过数值计算、对比结果及改进开孔率的循环优化过程后,最终得到的流场在分布规律及数值上均与目标流场吻合较好.经试验验证,试验结果与目标流场分布规律一致,马赫数畸变指数偏差小于5%,证明了方法的可行性.     

二元超声速进气道扩张段内伪激波特性

针对一种二元超声速进气道扩张段内伪激波特性,采用数值仿真方法对扩张段长度、扩张比和中心线偏距等参数的影响规律进行了研究。结果表明:在研究范围内,扩张段长度与扩张比对扩张段内伪激波特性影响较大,中心线偏距影响较小;扩张段长度与扩张比均会影响激波串长度及分离区的大小,从而对伪激波性能产生影响;基于一系列扩张段型面的仿真数据,给出了一个最大扩压性能对应的最佳扩张比的简单线性拟合公式。上述研究结果对超声速进气道扩张段设计具有参考价值。      

一种双S形二元排气系统红外特性的模型实验

通过模型实验测量了一种双S形二元(2-D)喷管排气系统壁面压力和温度分布,以及分别在侧向、下方和上方探测面上的红外辐射强度分布,并与基准轴对称排气系统作了对比分析。实验结果表明:双S形二元喷管排气系统在上方探测面上,红外辐射强度比较大,最大值出现在10°探测角;相比基准轴对称排气系统,双S形二元排气喷管系统红外辐射强度在0°探测角方位平均降低了75.5%,在侧向、下方及上方探测面上90°探测角方位分别降低了57.6%、50.9%和17.3%。      

二元外并联RBCC进气道变几何方案研究

为改善RBCC进气道在高马赫数下喉道段变几何部分的连接和气动热问题,参考外并联TBCC进气道的变几何方案,对RBCC进气道进行了外并联变几何研究。在低马赫数区间,通过调节使进气道获得合适的总收缩比和两通道的相同内收缩比,使得两通道喉道和出口截面的性能参数相近来减小掺混损失和达到相近的抗反压能力。在高马赫数区间,关闭低速通道,高速通道型面不变。数值模拟结果表明:在来流马赫数2.0,2.5,3.0,3.5下两通道喉道和出口截面的平均马赫数相差在0.05范围内,流量系数保持在0.7左右;在整个工作范围Ma=2~6内流量系数较高,总体性能较优,该变几何方案是正确可行的。     

高超声速进气道钻石型强制转捩装置的转捩准则研究

针对吸气式高超声速前体/进气道外形,利用在Φ600mm脉冲燃烧风洞和Φ0.5m高超声速风洞上获得的边界层转捩试验数据以及CFD流场计算结果,研究了前体边界层强制转捩区域的起始位置及其影响参数。采用回归分析方法,提出了一种适用于常规风洞和脉冲燃烧风洞、能够预测自然转捩和钻石型强制转捩起始位置的转捩准则。这个转捩准则考虑了边界层外沿的马赫数、雷诺数,以及总温/壁温比、来流气体平均分子量、粗糙元高度等影响转捩位置的主要因素;当粗糙元高度为0时,强制转捩准则退化为自然转捩准则。转捩准则成功推广到X-43A进气道风洞试验,预测最大偏差约为进气道全长的13%,可以应用到工程项目的转捩预测中。     

进气道进口格栅电磁散射特性及试验验证

基于斜切45°规则进口直腔进气道,设计了5mm×5mm格栅、15mm×15mm格栅、进口开放和封闭4种模型。结合多层快速多极子方法(Multilevel fast multipole method,MLFMM)对格栅电磁散射特性进行仿真研究,并制作了相同的试验模型进行验证,获得了格栅特征几何参数,如格栅孔间距、格栅倾角以及格栅厚度等对电磁散射特性的影响。研究表明:(1)格栅电磁散射特性数值计算结果在角域-30°~30°范围内与试验结果比较吻合,验证了仿真计算的有效性;(2)10GHz下,格栅孔间距为λ/2时,格栅电磁屏蔽效率约为43%,而孔间距达到λ/6时,接近于完全屏蔽;(3)随着格栅倾角增大,格栅电磁屏蔽效果逐渐减弱;(4)随着格栅厚度增加,格栅电磁屏蔽效率增加,但增加的幅度逐渐减小。     

燃气发生器燃烧室实验研究

燃气发生器可以有效解决低马赫数、低总温条件下液态煤油在超声速燃烧室中点火与稳定燃烧的困难。为给低马赫数条件下燃气发生器设计和强迫点火方式提供参考,在来流马赫数6、总温1650K条件下,开展了不同燃烧室结构、煤油的添加及分布、燃烧组织方式对点火和燃烧的影响实验研究。研究结果表明,随着出口喉道的减小,冷热工况燃烧室壁面压力增大,同时隔离段内受扰动最前点位置向上游移动。燃烧室出口面积与隔离段出口面积之比Q_S为0.50时,进气道在冷工况能够正常运行,热工况时煤油开始燃烧造成进气道喘振;Q_S为0.78和1.12时,进气道在冷热工况均可正常运行;Q_S为0.78,两个喷注位置组合下,煤油当量油气比达到11时能够成功点火并稳定燃烧,进气道正常启动,燃气发生器能够产生高温富油燃气。低驱动压、大喷孔的离心喷嘴喷注煤油更容易燃烧且燃烧效果更好。高富油条件下,以可添加煤油最大煤油量为分界,增加或减少煤油喷注量,可以作为小范围控制生成燃气温度的一种方式。