一种亚燃超燃冲压发动机进气道结构及确定方法
本发明涉及一种亚燃超燃冲压发动机进气道结构及确定方法，进气道的外压缩段由外压缩段水平面、第一面板、第二面板、第三面板构成，内压缩段下端面的入口处设置有带偏角的唇口；进气道结构参数确定时，将亚燃冲压发动机进气道设计和超燃冲压发动机进气道设计组合起来，只需确定进气道入口马赫数，即可自主判定并选择相应的冲压发动机进气道几何构型确定流程，最终输出满足设计要求的最优进气道几何构型。本发明能够快速开展亚燃超燃冲压发动机二维进气道结构设计并给出优化外形和性能参数，为后续冲压发动机整体推进性能分析提供基础。
发明专利
CN202310465637.7
2023-04-26
CN116658303A
2023-08-29
F02C7/042(2006.01)
中国航天空气动力技术研究院
鲁伟;沈清;陈兰;薛飞;王誉超;董垒;胡静;蒋增辉
100074 北京市丰台区云岗西路17号
中国航天科技专利中心
徐晓艳
北京;11
1.一种亚燃超燃冲压发动机进气道结构，包括外压缩段和内压缩段，其特征在于，外压缩段背风面为水平面，外压缩段的迎风面由第一面板、第二面板、第三面板依次拼接而成，第三面板连接到内压缩段上端面，内压缩段下端面的入口处设置有带偏角的唇口；第一面板所在平面与外压缩段水平面形成的锐角为第一楔面角，第二面板所在平面与第一面板所在平面形成的锐角为第二楔面角，第三面板所在平面与第二面板所在平面形成的锐角为第三楔面角，唇口所在平面与内压缩段下端面形成的锐角为唇口偏转角，第三面板所在平面与内压缩段上端面形成的锐角为第五偏转角； 来流速度超过马赫数预设阈值时，气流经过第一楔面角形成第一道斜激波，经过第二楔面角形成第二道斜激波，经过第三楔面角形成第三道斜激波，经过唇口偏转角形成第四道斜激波，经过第五偏转角形成第五道斜激波，对于亚燃冲压发动机进气道，第五道斜激波后，经过进气道内压缩段还形成一道正激波，使气流速度减小为亚声速。 2.基于权利要求1的一种亚燃超燃冲压发动机进气道结构确定方法，其特征在于，当冲压发动机的进气道入口马赫数设计值不大于限定值时，亚燃冲压模态的进气道几何参数的确定方式包括以下流程： 分步一、输入亚燃冲压发动机进气道边界条件，包括进气道最小入口马赫数、进气道入口马赫数设计值、第一楔面角最小值、第二楔面角最小值、第三楔面角最小值、唇口偏转角最小值、第一进气道总压恢复系数阈值；任意选定进气道结构的纵剖面作为第一剖面，给定第一面板、外压缩段背风面所成交线与第一剖面的交点坐标、唇口的入口边界与第一剖面的交点坐标； 分步二、分别给定第一楔面角、第二楔面角、第三楔面角、唇口偏转角变量取值范围，并在各自取值范围内均匀取值； 分步三、在分步二的取值范围内给定一组第一楔面角、第二楔面角、第三楔面角、唇口偏转角变量值，根据给定的第一楔面角、第二楔面角、第三楔面角、唇口偏转角变量值，计算第五偏转角变量值； 分步四、从第一道斜激波开始，将进气道入口马赫数设计值、分步三得到的第一楔面角、第二楔面角、第三楔面角、唇口偏转角、第五偏转角变量值依次代入斜激波关系式，分别计算每一道斜激波激波角、波后马赫数、压强、密度，根据每一道斜激波激波角、波后马赫数、压强，计算每一道斜激波前后总压恢复系数； 分步五、根据第五道斜激波波后马赫数、压强、密度，利用正激波关系式计算并输出正激波波后马赫数、压强、密度，并计算正激波前后总压恢复系数； 分步六、根据每一道斜激波前后总压恢复系数、正激波前后总压恢复系数的乘积，得到进气道总压恢复系数，输出进气道总压恢复系数； 分步七、判断分步六的进气道总压恢复系数是否大于第一进气道总压恢复系数阈值，若是，进入分步八，否则，跳转到分步三开始下一轮迭代； 分步八、将分步四输入的进气道入口马赫数设计值替换为进气道最小入口马赫数，重复分步四～分步六，计算得到最小入口马赫数对应的进气道总压恢复系数； 分步九、若最小入口马赫数对应的进气道总压恢复系数为零，跳转到分步三开始下一轮迭代；若不为零，则将当前进气道总压恢复系数赋给第一进气道总压恢复系数阈值； 分步十、重复分步三～分步九，迭代完成后输出在分步二变量取值范围内最大的第一进气道总压恢复系数阈值，同时输出对应的进气道第一楔面角、第二楔面角、第三楔面角、唇口偏转角、第五偏转角变量值；根据第一面板、外压缩段背风面所成交线与第一剖面的交点坐标、唇口的入口边界与第一剖面的交点坐标约束以及斜激波能够形成的约束条件，利用三角函数关系确定第二面板、第一面板所成交线与第一剖面的交点坐标，第二面板、第三面板所成交线与第一剖面的交点坐标，第三面板、内压缩段上端面所成交线与第一剖面的交点坐标，唇口、内压缩段下端面所成交线与第一剖面的交点坐标。 3.根据权利要求2所述的一种亚燃超燃冲压发动机进气道结构确定方法，其特征在于，所述进气道入口马赫数设计值为高速飞行器巡航马赫数；所述限定值为亚燃冲压模态到超燃冲压模态的模态转换值。 4.根据权利要求3所述的一种亚燃超燃冲压发动机进气道结构确定方法，其特征在于，当冲压发动机的进气道入口马赫数设计值不大于限定值时，确定的亚燃冲压模态的进气道出口气流参数包括：第一进气道出口马赫数、第一出口压强、第一出口密度；其中，第一进气道出口马赫数为分步十中最大的第一进气道总压恢复系数阈值下对应的正激波波后马赫数，第一出口压强为分步十中最大的第一进气道总压恢复系数阈值下对应的正激波波后压强，第一出口密度为最大的第一进气道总压恢复系数阈值下对应的正激波波后密度。 5.根据权利要求3所述的一种亚燃超燃冲压发动机进气道结构确定方法，其特征在于，分步三中所述计算第五偏转角变量值为：第五偏转角变量值等于第一楔面角、第二楔面角、第三楔面角变量值之和减去唇口偏转角变量值。 6.根据权利要求3所述的一种亚燃超燃冲压发动机进气道结构确定方法，其特征在于，分步四中利用斜激波关系式计算第一道斜激波激波角、波后马赫数、压强、密度、斜激波前后总压恢复系数时，输入为进气道入口马赫数设计值和第一楔面角变量值；计算第二道斜激波激波角、波后马赫数、压强、密度、斜激波前后总压恢复系数时，输入为第一道斜激波波后马赫数和第二楔面角变量值；计算第三道斜激波激波角、波后马赫数、压强、密度、斜激波前后总压恢复系数时，输入为第二道斜激波波后马赫数和第三楔面角变量值；计算第四道斜激波激波角、波后马赫数、压强、密度、斜激波前后总压恢复系数时，输入为第三道斜激波波后马赫数和唇口偏转角变量值；计算第五道斜激波激波角、波后马赫数、压强、密度、斜激波前后总压恢复系数时，输入为第四道斜激波波后马赫数和第五偏转角变量值。 7.根据权利要求3所述的一种亚燃超燃冲压发动机进气道结构确定方法，其特征在于，分步四中每一道斜激波激波角的计算方式如下： 其中，βi,i＝1,2,…，5分别对应第i道斜激波激波角；θi,i＝1,2,…，5分别对应分步三中每次获得的第一楔面角、第二楔面角、第三楔面角、唇口偏转角、第五偏转角变量值；Mai,i＝1,2,…，5分别对应进气道入口马赫数设计值、第一道斜激波波后马赫数、第二道斜激波波后马赫数、第三道斜激波波后马赫数、第四道斜激波波后马赫数；γ为比热比，标准大气中取1.4。 8.基于权利要求1的一种亚燃超燃冲压发动机进气道结构确定方法，其特征在于，当冲压发动机的进气道入口马赫数设计值大于限定值时，超燃冲压模态的进气道几何参数的确定方式包括以下流程： S1、输入超燃冲压发动机进气道入口马赫数设计值、第一楔面角、第二楔面角、第三楔面角最小值、唇口偏转角最小值、第二进气道总压恢复系数阈值；任意选定进气道结构的第一剖面，给定第一面板、外压缩段背风面所成交线与第一剖面的交点坐标、唇口的入口边界与第一剖面的交点坐标； S2、分别给定第一楔面角、第二楔面角、第三楔面角、唇口偏转角变量取值范围，并在各自取值范围内均匀取值； S3、在S2的取值范围内给定一组第一楔面角、第二楔面角、第三楔面角、唇口偏转角变量值，根据给定的第一楔面角、第二楔面角、第三楔面角、唇口偏转角变量值，计算第五偏转角变量值； S4、从第一道斜激波开始，将进气道入口马赫数设计值、S3得到的三个楔面角、唇口偏转角、第五偏转角变量值依次代入斜激波关系式，分别计算每一道斜激波激波角、波后马赫数、压强、密度，根据每一道斜激波激波角、波后马赫数、压强，计算每一道斜激波前后总压恢复系数； S5、根据每一道斜激波前后总压恢复系数的乘积，得到进气道总压恢复系数，输出进气道总压恢复系数、分步三得到的第一楔面角、第二楔面角、第三楔面角、唇口偏转角、第五偏转角变量值、第五道斜激波波后马赫数、压强、密度； S6、判断S5得到的进气道总压恢复系数是否大于第二进气道总压恢复系数阈值，若是，则将当前进气道总压恢复系数赋给第二进气道总压恢复系数阈值，否则，跳转到S3开始下一轮迭代； S7、重复S3～S6，迭代完成后输出在S2变量取值范围内最大的第二进气道总压恢复系数阈值，同时输出对应的进气道第一楔面角、第二楔面角、第三楔面角、唇口偏转角、第五偏转角变量值；根据第一面板、外压缩段背风面所成交线与第一剖面的交点坐标、唇口的入口边界与第一剖面的交点坐标约束以及斜激波能够形成的约束条件，利用三角函数关系确定第二面板、第一面板所成交线与第一剖面的交点坐标，第二面板、第三面板所成交线与第一剖面的交点坐标，第三面板、内压缩段上端面所成交线与第一剖面的交点坐标，唇口、内压缩段下端面所成交线与第一剖面的交点坐标。 9.根据权利要求8所述的一种亚燃超燃冲压发动机进气道结构确定方法，其特征在于，确定的超燃冲压模态的进气道出口气流参数包括：第二进气道出口马赫数、第二出口压强、第二出口密度；其中，第二进气道出口马赫数为分步七中最大的第二进气道总压恢复系数阈值下对应的第五道斜激波波后马赫数，第二出口压强为分步七中最大的第二进气道总压恢复系数阈值下对应的第五道斜激波波后压强，第二出口密度为分步七中最大的第一进气道总压恢复系数阈值下对应的第五道斜激波波后密度。