[發明專利]一種延伸段壁面壓力分布可控的雙鐘形噴管及其設計方法

有效

• 申請號: 202110692175.3
• 申請日: 2021-06-22
• 公開（公告）號: CN113326587B
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發明（設計）人: 劉亞洲;李平;陳宏玉;楊建文;任孝文
• 申請（專利權）人: 西安航天動力研究所
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;F02K9/97;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 史曉麗

本發明提供了一種延伸段壁面壓力分布可控的雙鐘形噴管及其設計方法，避免了采用現有流動控制手段對雙鐘形噴管工作模態轉換進行控制而帶來的復雜結構和附加重量，具有結構簡單、重量小、性能高、可靠性高等優點。本發明設計的雙鐘形噴管包括收縮段和雙鐘形擴張段，雙鐘形擴張段又包括基礎段型面和延伸段型面。基礎段采用Rao氏最大推力型面設計，延伸段壁面壓力分布可控，保證雙鐘形噴管具有快速的模態轉換過程，有效抑制此過程產生的側向載荷。一種延伸段壁面壓力分布可控的雙鐘形噴管及其設計方法由型面轉折控制區、延伸段壓力分布、延伸段壁面單元點、延伸段型面點及型面轉折角等的設計組成，保證了型面設計的可行性。

技術領域

本發明涉及火箭發動機技術領域，具體涉及一種延伸段壁面壓力分布可控的雙鐘形噴管及其設計方法。

背景技術

噴管作為火箭發動機主要產生推力的重要組件之一，其工作性能的高低直接影響到發動機推力的大小。對于當前火箭發動機常用的固定面積比軸對稱噴管而言，其在低空的過膨脹狀態下易產生流動分離現象，而流動分離往往非對稱，給噴管帶來有害的側向載荷，危及噴管結構和火箭入軌精度。工程設計中常采用限制噴管面積比的方式避免過膨脹狀態下的流動分離現象，但這同時也制約了發動機性能的發揮。

雙鐘形噴管作為一種結構簡單、技術難度相對較小的高度補償噴管，能夠通過控制分離流動以使噴管擁有較大的面積比，進而提高發動機性能。雙鐘形噴管擴張段分為基礎段和延伸段型面，二者之間為型面轉折點。型面轉折的存在，使得雙鐘形噴管能夠對大面積比噴管產生的分離流動進行有效控制。在低空狀態下，氣流被迫分離在型面轉折點，避免了非對稱分離的出現，從而有效抑制了不利的側向載荷。此時基礎段噴管工作在滿流狀態下，而延伸段噴管處于分離狀態。在高空狀態下，基礎段和延伸段噴管均工作在滿流狀態下，充分利用了噴管面積比，進而大幅提升了發動機性能。

盡管雙鐘形噴管具有上述優點，但其也存在低空分離工作模態向高空滿流工作模態轉換過程中側向載荷較大的缺點。模態轉換中存在的側向載荷降低了發動機的工作可靠性，成為雙鐘形噴管走向工程應用的一大難題。采取射流等流動控制手段能夠對雙鐘形噴管工作模態的轉換進行控制，降低此過程中的側向載荷，提高發動機工作可靠性，但卻需要額外氣源和管路，造成發動機結構、重量的增加。在此背景下，如何通過雙鐘形噴管延伸段型面自身的設計有效抑制工作模態轉換過程中的側向載荷，成為雙鐘形噴管設計中的關鍵問題。

發明內容

本發明提供了一種延伸段壁面壓力分布可控的雙鐘形噴管及其設計方法，通過設計等壓分布或等逆壓梯度分布的延伸段，能夠保證模態轉換過程更加迅捷，有效避免了轉換過程中分離點在延伸段型面上的脈動，進而避免了出現嚴重的側向載荷，保證雙鐘形噴管在獲得高性能的同時，兼具較高的可靠性。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種延伸段壁面壓力分布可控的雙鐘形噴管設計方法，包括以下步驟：

步驟一、根據設計要求，確定要設計的延伸段壁面壓力分布可控的雙鐘形噴管的噴管基礎段2長度L_b、噴管延伸段3的長度L_e、噴管基礎段2的面積比ε₁和噴管延伸段3的面積比ε₂；

步驟二、計算型面轉折控制區10氣流參數；

步驟2.1、預先給定型面轉折角15為數值α，并將其離散。以噴管基礎段2出口最后一條右行特征線9做為噴管延伸段3設計的起始特征線，通過普朗特-梅耶膨脹波關系式計算噴管擴張段型面轉折點4的參數：

其中ν為普朗特-梅耶角，Ma為馬赫數，γ為氣流比熱比；

步驟2.2、利用步驟2.1得到的噴管擴張段型面轉折點4的參數，采用特征線法計算型面轉折控制區10氣流參數并得到型面轉折點后的壓力值；

步驟三、計算延伸段壁面壓力分布8；