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CCIE 新型可变截面超音速进气口Part4

2012/3/7 10:17:29  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

   和外压缩一样,混合压缩也可以有三波系、四波系和等熵等多种形式。混合压缩三波系为一道外斜激波,一道内斜激波,一道正激波。混合压缩四波系可以有两道外斜激波,一道内斜激波,也可以是一道外斜激波,两道内斜激波,再加一道正激波。通常混合压缩多波系都是一道内斜激波。混合压缩的优缺点介于外压缩和内压缩之间,减小了启动问题,也减少了气流方向扭转问题。巡航速度高于 M2.5 的飞机需要采用混合压缩进气口,三马赫的 SR-71 和 B-70 首先采用混合压缩进气口,至今也是仅有的已知例子。

  内压缩的设计比外压缩复杂得多,不光要考虑启动问题,内斜激波的“接地点”如果和正激波有一段距离,内斜激波在进气道避免的反射还会引起新的斜激波,极大地增加了分析和设计的复杂性。

  

 

  SR-71 的进气口设计十分复杂,就是为了解决内压缩的启动问题

  但混合压缩进气口不能完全避免内压缩的启动问题,SR-71 和 B-70 采用一套复杂的辅助进排气门,就是为了解决内压缩的启动问题。可以前后移动的中心锥则控制喉道和正激波的位置。但用激波系减速是一个问题,另一个问题是进气流量。不同推力要求显然需要不同的进气流量,而进气流量受到喉道面积的节制。固定几何形状的中心锥很难对很大的进气流量要求范围达到喉道面积和进气流量的最优匹配。如果按照最高速度设计的话,喉道面积较小,以保证足够的内压缩;但较低速度时,需要加大喉道面积,避免过度的内压缩导致喉道的正激波被“顶”出进气口,不仅造成启动和发动机不稳定工作问题,像直立的石墙一样的正激波还极大地增加阻力,扫到机体甚至可能结构损坏。SR-71 的操控特性暴戾,只有在较小的飞行包线里可以稳定飞行,和混合压缩进气口不无关系。理想的混合压缩进气口应该在可以在控制内激波位置的同时,还可以独立控制喉道面积。

  如果中心锥可以改变直径,根据进气流量需要改变喉道面积,这就可以解决这个难题。但平滑地改变中心锥直径在机械上很难实现,CCIE 另辟蹊径。CCIE 在中心锥上有很多可以开闭的槽道。这些槽道好象沿中心锥的轴向切开的开口,槽道开启使得中心锥截面形状好像齿轮一样,使得喉道面积增加;填满则使中心锥截面形状恢复圆形,减小喉道面积。CCIE 在概念上不复杂,但在分析和设计上难度很高。由于齿轮一样的截面形状,圆锥激波的形状变得高度复杂,齿牙的个数、大小和深度都使得斜激波的形状改变,原来简单的一道圆锥激波变成高度复杂的多道圆锥激波和平面激波的叠加,激波的交互作用、在壁面的反射进一步增加了分析和设计的难度。除了用超级计算机进行计算流体力学分析外,NASA的飞行试验正是为了掌握第一手数据,实测气流温度、速度、压力分布,确定激波形状和位置,以及次生激波的影响。现阶段的测试还只是用一个具有固定开槽的中心锥和几个不同尺寸的进气口搭配进行,在几个关键的设计点上采集数据,并和常规的圆形截面中心锥相比较。飞行测试主要集中在等效于 M1.3-1.5 和高度在 12,000 米的设计条件,为此 F-15B 需要在 M1.74 下飞行。NASA 将根据对测试结果的分析,完善分析和设计防范。

  

 

  CCIE 在中心锥上开槽

  

 

  槽口开闭就可以改变流道截面面积

  

 

  CCIE(左)和固定中心锥的比较

  CCIE 的下一步是连续可调的中心开槽。在机械实现方面,这增加了很多难度,包括可动斜板和中心锥开槽壁板之间的密封问题,可调斜板对接处的密封问题,还有其他的常规的可靠性和重量问题。NASA 还没有确定进一步飞行测试连续可调 CCIE 的时间。

  CCIE 有望解决超音速进气口设计的一个传统难题,对于 M2.5 甚至 M3 以上的超音速飞行的影响很大,但对于 M2以下的飞行没有太明显的效果。在高超音速飞行重新得到重视的今天,CCIE 具有特殊的意义。TechLand 的 CCIE 本来就是为火箭助推高超音速喷气飞行器设计的,对高超音速侦察机、轰炸机和巡航导弹的作用不言而喻。CCIE 对 M2.5 以上超音速巡航的先进超音速客机也是关键技术。

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