基于流动控制的超声速或高超声速飞行器安全防护方法

技术领域

本发明涉及超声速或高超声速飞行器技术领域，具体是一种基于流动控制的超声速或高超声速飞行器安全防护方法。

背景技术

超声速或高超声速飞行器具有探测难度大、突发能力强、作战效能高、全球快速到达等特点，是21世纪航空航天技术领域新的制高点。但是作为人类对“极端”环境和“极端”动力的新挑战，超声速或高超声速飞行器仍面临着严峻的技术挑战和诸多关键基础问题，激波/边界层形成的流场间断面干扰引起的分离激波非定常振荡便是其中之一，其存在对于飞行安全构成严重威胁。

激波/边界层形成的流场间断面干扰是指激波产生的逆压梯度所引发的边界层变形、分离、再附以及激波分叉等现象，是一种广泛发生于跨声速机翼流动、超声速进气道、高速飞行器控制舵面、过膨胀喷管流等多种流场条件下的复杂流动现象。激波/边界层形成的流场间断面干扰的存在常常诱发边界层的分离，进而诱导产生分离激波，分离激波的低频非定常振荡特性一直是学术界关注的焦点，它会带来飞行器气动力振荡、进气道工作不稳定、高超声速飞行器高热载荷不可预测和局部严重烧蚀等问题，对飞行安全构成严重威胁。此外，分离激波低频非定常振荡会伴随飞行器表面压力振荡，当压力振荡与飞行器结构共振频率发生耦合时，还会导致飞行器结构疲劳失效。研究表明，在激波和湍流边界层相互作用局部流场中，分离激波发生大尺度低频振荡导致的表面压力脉动高达185分贝以上，并且能量相当一部分集中在结构响应频率范围，无疑给飞行器的安全和使用寿命造成严重威胁。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于流动控制的超声速或高超声速飞行器安全防护方法，从而减少飞行器表面结构的振动，实现超声速或高超声速飞行器安全防护。

为实现上述目的，本发明提供一种基于流动控制的超声速或高超声速飞行器安全防护方法，基于非定常高重频脉冲流场激励，调节流场间断面非定常运动引发的流场间断面干扰区低频压力脉动的频率和范围，避免流场间断面低频干扰区压力脉动与飞行器表面结构发生强耦合，保证飞行器表面结构完整可靠。

在其中一个实施例，所述基于非定常高重频脉冲流场激励，调节流场间断面非定常运动引发的流场间断面干扰区低频压力脉动的频率和范围，具体为：

对超声速或高超声速飞行器的流场间断面干扰区施加非定常高重频脉冲流场激励，控制流场间断面干扰区分离泡上边界剪切层的动力学特性，进而控制流场间断面的非定常运动，使流场间断面的非定常运动频率锁定在所述非定常高重频脉冲流场激励的工作频率，提升流场间断面干扰区低频压力脉动的Strouhal数，并降低流场间断面干扰区低频压力脉动的范围，进而消除飞行器表面的结构振动，实现超声速或高超声速飞行器的安全防护。

在其中一个实施例，所述提升流场间断面干扰区低频压力脉动的Strouhal数，具体为：

调节流场间断面干扰区低频压力脉动的频率，将其引发的脉动频率的Strouhal数从0.03-0.04提升至1以上，从而远离飞行器的结构固有频率。

在其中一个实施例，所述降低流场间断面干扰区低频压力脉动的范围，具体为：

调节流场间断面干扰区低频压力脉动的范围，将其引发的低频压力脉动的范围从干扰区长度的30％降低至5％以下，从而避免飞行器表面结构的大面积振动。

在其中一个实施例，所述非定常高重频脉冲流场激励具有持续控制模式与间歇控制模式；

在所述持续控制模式下，持续性的对超声速或高超声速飞行器的流场间断面干扰区施加非定常高重频脉冲流场激励，使得流场间断面干扰区低频压力脉动的频率和范围被持续控制；

在所述间歇控制模式下，间隙性的持续性的对超声速或高超声速飞行器的流场间断面干扰区施加非定常高重频脉冲流场激励，使得流场间断面干扰区低频压力脉动的频率和范围被间隙控制，从而降低流场激励所需能耗。

在其中一个实施例，在所述间歇控制模式下，所述非定常高重频脉冲流场激励每3-10秒触发一次，每次触发的持续时间为1-3秒。

在其中一个实施例，所述非定常高重频脉冲流场激励通过同构或异构的分布式主动流动控制装置阵列实现，各主动流动控制装置之间通过光电信号控制中央处理器统一控制。

在其中一个实施例，所述非定常高重频脉冲流场激励的触发方式为：

通过高频反常辉光放电和高频激光诱导等离子体产生局部高温对流场施加扰动，产生非定常高重频脉冲流场激励；和/或

通过正常辉光放电产生自由电子与正离子混合物，通过磁场与该混合物的耦合作用产生洛伦兹力，对边界层底层流体施加非定常高重频定向体积力，产生非定常高重频脉冲流场激励；和/或

通过火花放电或电弧放电使气体升温和增压，升温和增压后的气体高速喷出，在流场间断面干扰区形成高温高速射流，产生非定常高重频脉冲流场激励；和/或

利用飞行器半布雷顿循环主动冷却和发电系统产生的高温高压二氧化碳气体，流场间断面干扰区形成高温高速射流，产生非定常高重频脉冲流场激励；和/或

利用飞行器迎风面激波后的高压区，通过引射管路在流场间断面干扰区产生高速射流，通过高速旋转孔板结构控制高速射流的发生频率，产生非定常高重频脉冲流场激励。

与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

1.本发明通过对超声速或高超声速飞行器的流场间断面干扰区施加非定常高重频脉冲流场激励，能够有效提升飞行器的安全防护能力，通过控制流场间断面的非定常运动，并锁定在特定频率，可以有效地减小干扰区低频压力脉动的范围，从而减少飞行器表面结构的振动；

2.本发明能够通过施加非定常高重频脉冲流场激励控制流场间断面干扰区分离泡上边界剪切层的动力学特性，进而优化干扰区的流动结构，减小涡旋脱落和分离泡的影响，提高飞行器的气动性能和稳定性；

3.本发明能够通过调节非定常高重频脉冲流场激励的工作频率，使干扰区内的涡旋或分离泡产生更高频率的振动，从而增加其Strouhal数，改善流场干扰对飞行器表面的影响，减小结构振动和噪声产生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于流动控制的超声速或高超声速飞行器安全防护方法的流程图；

图2为本发明实施例中射流发生器的第一轴测图；

图3为本发明实施例中射流发生器的第二轴测图；

图4为本发明实施例中射流发生器的剖视图；

图5为本发明实施例中射流发生器的内部结构示意图。

附图标号：结构体1、第一平面101、第二平面102、第三平面103、第四平面104、第五平面105、第六平面106、进气通道201、集气腔202、第一射流通道203、第二射流通道204、第三射流通道205、第四射流通道206、放电电极207。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本实施例公开了一种基于流动控制的超声速或高超声速飞行器安全防护方法，主要针对压缩拐角、入射/反射激波、钝支板、圆柱绕流等封闭型的激波/边界层干扰流场，以及尖前缘支板流场等开放型的激波/边界层干扰流场的安全防护。可应用于超燃冲压进气道内部激波干扰、飞行器头激波引发的激波干扰、跨声速机翼正激波干扰、航空发动机高负荷压气机叶片表面激波干扰的安全防护。

当超声速或高超声速飞行器处于一定飞行马赫数和攻角时，在冲压发动机进气道、飞行器前体、飞行器翼舵等位置形成流场间断面，并与飞行器表面边界层产生干扰，诱导生成流场间断面干扰区分离泡。分离泡和流场间断面的运动频率较低，主导频率Strouhal数在0.03-0.04之间，引发低频压力脉动，低频压力脉动范围达到干扰区长度的30％，使得飞行器表面结构振动。基于此，本实施例基于非定常高重频脉冲流场激励调节流场间断面非定常运动引发的流场间断面干扰区低频压力脉动的频率和范围，进而避免流场间断面低频干扰区压力脉动与飞行器表面结构发生强耦合，保证飞行器表面结构完整可靠。具体地：对超声速或高超声速飞行器的流场间断面干扰区施加非定常高重频脉冲流场激励，控制流场间断面干扰区分离泡上边界剪切层的动力学特性，进而控制流场间断面的非定常运动，使流场间断面的非定常运动频率锁定在非定常高重频脉冲流场激励的工作频率，提升流场间断面干扰区低频压力脉动的Strouhal数，并降低流场间断面干扰区低频压力脉动的范围，进而消除飞行器表面的结构振动，实现超声速或高超声速飞行器的安全防护。

本实施例中，Strouhal数即f·L/U

在具体实施过程中，提升流场间断面干扰区低频压力脉动的Strouhal数具体为：调节流场间断面干扰区低频压力脉动的频率，将其引发的脉动频率的Strouhal数从0.03-0.04提升至1以上，从而远离飞行器的结构固有频率。降低流场间断面干扰区低频压力脉动的范围具体为：调节流场间断面干扰区低频压力脉动的范围，将其引发的低频压力脉动的范围从干扰区长度的30％降低至5％以下，从而避免飞行器表面结构的大面积振动。非定常高重频脉冲流场激励通过同构或异构的分布式主动流动控制装置阵列实现，各主动流动控制装置之间通过光电信号控制中央处理器统一控制，利用RNS/LES混合数值模拟数据驱动和激波极线理论分析模型驱动相结合的神经网络算法进行协调匹配。参考图1，本实施例中的基于流动控制的超声速或高超声速飞行器安全防护方法具体包括如下步骤：

步骤1，在超声速或高超声速飞行器的冲压发动机进气道、飞行器前体、飞行器翼舵等存在流场间断面干扰的区域布置主动流动控制激励器，布置位置在流场间断面干扰区上游25mm-50mm；

步骤2，当超声速或高超声速飞行器处于一定飞行马赫数和攻角下，并诱导生成流场间断面干扰区分离泡时，开启主动流动控制激励器，对流场间断面干扰区施加非定常高重频脉冲流场激励，激励频率Strouhal数达到1以上，使非定常高重频脉冲流场激励在流场间断面干扰区上游引起扰动，扰动作用在向下游传播过程中被逐渐放大，并与分离泡上边界剪切层发生耦合作用，改变剪切层的动力学特性，进而控制流场间断面的非定常运动；

步骤3，将流场间断面的非定常运动频率锁定为流动控制激励器的工作频率，使得流场间断面干扰区低频压力脉动的Strouhal数从0.03-0.04提升至1以上，流场间断面干扰区低频压力脉动的范围从干扰区长度的30％降低至5％以下，由于流场间断面干扰区低频压力脉动的频率和范围变化，飞行器表面结构振动消失，表面结构保持完整可靠，达到飞行器安全防护的效果。

本实施例中，主动流动控制激励器触发非定常高重频脉冲流场激励的方式为：

通过高频反常辉光放电和高频激光诱导等离子体产生局部高温对流场施加扰动，产生非定常高重频脉冲流场激励；和/或

通过正常辉光放电产生自由电子与正离子混合物，通过磁场与该混合物的耦合作用产生洛伦兹力，对边界层底层流体施加非定常高重频定向体积力，产生非定常高重频脉冲流场激励；和/或

通过火花放电或电弧放电使气体升温和增压，升温和增压后的气体高速喷出，在流场间断面干扰区形成高温高速射流，产生非定常高重频脉冲流场激励；和/或

利用飞行器半布雷顿循环主动冷却和发电系统产生的高温高压二氧化碳气体，流场间断面干扰区形成高温高速射流，产生非定常高重频脉冲流场激励；和/或

利用飞行器迎风面激波后的高压区，通过引射管路在流场间断面干扰区产生高速射流，通过高速旋转孔板结构控制高速射流的发生频率，产生非定常高重频脉冲流场激励；和/或

利用可控的射流发生器产生非定常高重频脉冲流场激励。

参考图2至图5为本实施例中还提供的一种射流发生器，其包括楔形结构的结构体1，结构体1包括底部的第一平面101、顶部的第二平面102与第三平面103、尾部的第四平面104以及侧部的第五平面105与第六平面106。第一平面101、第二平面102、第三平面103与第四平面104依次首尾相连，并围成封闭的环状结构，第五平面105、第六平面106覆盖在环状结构的两侧，且第一平面101、第三平面103均垂直于第四平面104，即第一平面101与第三平面103相互平行。

结构体1上具有射流结构。射流结构包括设在结构体1内部的进气通道201、集气腔202、第一射流通道203与第二射流通道204。集气腔202为矩形腔，设置在结构体1内部且靠近第三平面103、第四平面104的尾部位置。进气通道201的截面同样为矩形结构，其长度方向平行于第一平面101，且进气通道201的第一端开设在第二平面102上，进气通道201的第二端与集气腔202连通。第一射流通道203的长度方向垂直于第三平面103，其第一端与集气腔202连通，第二端开设在第三平面103中心区域，以使得气流经由进气通道201进入集气腔202后，再经由第一射流通道203在第二平面102的中心区域形成射流。第二射流通道204的长度方向垂直于第四平面104，其第一端与集气腔202连通，第二端开设在第四平面104中心区域，以使得气流经由进气通道201进入集气腔202后，还经由第四射流通道206在第四平面104的中心区域形成射流。优选地，射流结构还包括设在结构体1内部的第三射流通道205与第四射流通道206，第三射流通道205的第一端与集气腔202连通，第三射流通道205的第二端位于第五平面105上。第四射流通道206的第一端与集气腔202连通，第四射流通道206的第二端位于第六平面106上。第三射流通道205的第二端、第四射流通道206的第二端朝结构体1的顶部方向与尾部方向倾斜，以使得气流经由进气通道201进入集气腔202后，还经由第三射流通道205、第四射流通道206分别在第五平面105、第六平面106产生一股向射流发生器下游向上倾斜的卷吸射流，进而增强射流发生器的流动控制效果。

值得注意的是，在射流结构中，第一射流通道203与第二射流通道204为主射流控制部分，需要产生较强的射流。而第三射流通道205与第四射流通道206是次射流控制部分，主要起到增强效果。因此，第一射流通道203与第二射流通道204的截面积基本相同，且其截面积尺寸大于第三射流通道205与第四射流通道206的截面积。

射流结构还包括放电电极207，放电电极207设置集气腔202内并通过预埋的导线与外部的控制设备电连接。通过在集气腔202内设置放电电极207，即可在具体应用过程中控制放电电极207进行高压放电，从而控制射流结构的射流效果，达到产生非定常高重频脉冲流场激励，从而将流场间断面的非定常运动频率锁定为流动控制激励器的工作频率，使得流场间断面干扰区低频压力脉动的Strouhal数从0.03-0.04提升至1以上，流场间断面干扰区低频压力脉动的范围从干扰区长度的30％降低至5％以下，由于流场间断面干扰区低频压力脉动的频率和范围变化，飞行器表面结构振动消失，表面结构保持完整可靠，达到飞行器安全防护的效果。

值得注意的是，在具体应用时需将进气通道201与集气腔202的连通位置设置为台阶结构，并使得集气腔202底壁的高度低于进气通道201的底壁，同时将放电电极207固定在集气腔202底壁或台阶壁面上，保持放电电极207的高度低于进气通道201的底壁，防止进气气流干扰放电电极207放电。

上述非定常高重频脉冲流场激励的触发方式均无需飞行器携带体积较大的气源，只需要利用机载电池即可，不仅结构简单，而且占用体积小，不会给飞行器造成额外的负载。

作为优选的实施方式，主动流动控制激励器触发非定常高重频脉冲流场激励时具有持续控制模式与间歇控制模式，具体地：

在持续控制模式下，持续性的对超声速或高超声速飞行器的流场间断面干扰区施加非定常高重频脉冲流场激励，使得流场间断面干扰区低频压力脉动的频率和范围被持续控制；

在间歇控制模式下，间隙性的持续性的对超声速或高超声速飞行器的流场间断面干扰区施加非定常高重频脉冲流场激励，使得流场间断面干扰区低频压力脉动的频率和范围被间隙控制，从而降低流场激励所需能耗。其中，在间歇控制模式下，非定常高重频脉冲流场激励每3-10秒触发一次，每次触发的持续时间为1-3秒。

值得注意的是，上述的射流激励器的间歇控制模式即关闭放电电极207，此时射流激励器相当于一个涡流发生器，从而对飞行器壁面起到一定的热防护效果。同时，在热防护的过程中，该射流激励器相当于三角楔涡流发生器，只是相较于三角楔涡流发生器，该射流激励器通过第三平面103、第四平面104替代了三角楔涡流发生器的尖角结构。由于三角楔涡流发生器安装在超声速或高超声速飞行器的表面后，其顶部的尖角结构难以避免的会产生较大的阻力，同时其尾部的尖角结构也会引起飞行器烧蚀的问题。而本实施例中的射流发生器将尖角替换为平面，同时通过第三平面103、第四平面104上产生的射流弥补去掉的尖角结果，从而保持良好的流动控制效果。

进一步优选地，非定常高重频脉冲流场激励的触发模式可根据超声速或高超声速飞行器实时调整。例如，当飞行器起飞或降落或姿态调整阶段时在持续控制模式下触发非定常高重频脉冲流场激励。当飞行器处于固定速度巡航阶段时在间歇控制模式下触发非定常高重频脉冲流场激励，根据飞行速度，在间歇控制模式下选择3-10秒触发一次非定常高重频脉冲流场激励，每次持续1-3秒。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。