激光能量注入提高沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣捕獲量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于主控流動(dòng)控制領(lǐng)域，是一種用于提高超聲速和高超聲速飛行器沖壓發(fā) 動(dòng)機(jī)進(jìn)氣捕獲量的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲速或高超聲速?zèng)_壓式進(jìn)氣道依靠前體斜激波捕獲并壓縮氣流，其理想幾何構(gòu) 型是激波封口，即前體壓縮斜激波匯集在唇口上，反射波入射于進(jìn)氣道肩部。激波角由馬赫 數(shù)決定，因此在飛行馬赫數(shù)低于設(shè)計(jì)馬赫數(shù)時(shí)，溢出就會(huì)發(fā)生，空氣捕獲量降低。為避免由 此造成的發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低，可以采用變幾何進(jìn)氣道，但是改變幾何構(gòu)型的機(jī)械系統(tǒng)比較復(fù) 雜。另一個(gè)可行方法就是向流場(chǎng)中注入或抽取能量，即主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)。
[0003] 美國普林斯頓大學(xué)的M.N.Shneider等人（M.N.Shneider,S. 0?Macheret,S. H.Zaidi,etal.SteadyandUnsteadySupersonicFlowControlwithEnergy Addition[R]. 34thAIAAPlasmadynamicsandLasersConference,Orlando,Florida. AIM2003-3862.ShneiderMN,MacheretS0,etal.ModelingofPlasmaVirtualShape ControlofRam/ScramjetInletandIsolator[R].PortlandOregon.Plasmadynamics andLasersConferenceinPortland,Oregon.AIAA2〇〇4_294〇.)提出"虛擬唇口 "的設(shè) 想，在流場(chǎng)特定位置注入微波、激光或電子束等定向能，形成加熱區(qū)域，利用該區(qū)域溫度或 壓強(qiáng)的提高使來流偏轉(zhuǎn)，使得進(jìn)入進(jìn)氣道氣流質(zhì)量的增加。他們對(duì)"虛擬唇口"進(jìn)行了較為 詳細(xì)的數(shù)值研宄，結(jié)果表明該方法可以充分提高進(jìn)氣捕獲質(zhì)量和動(dòng)能效率。R.B.Miles等 人(Sergey0.Macheret,MikhailN.Shneider,RichardB.Miles.OptimumPerformance ofElectronBeamDrivenMHDGeneratorsforScramjetInletControl[R]. 34thAIAA PlasadynamicsandLasersConference,Orlando,Florida.AIAA2003-3763.Macheret S0,ShneiderMN,MilesRB,etal.ScramjetInletControlbyOff-BodyEnergy AdditionandMHDDeceleration[R].Moscow. 5thInt.WorkshoponMagneto-Plasma AerodynamicsforAerospaceApplications, 2003-32.)利用磁流體動(dòng)力學(xué)（即MHD)流動(dòng) 控制方法改善進(jìn)氣性能，其原理是利用帶電空氣在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)受的體積力，控制入射激 波位置，擴(kuò)展了進(jìn)氣道的運(yùn)行馬赫數(shù)。
[0004] 國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行的能量注入控制沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣捕獲量的工作證明了該方法的 可行性，但目前針對(duì)激光能量注入的方式，尚未提出一種工程適用性較強(qiáng)的激光能量沉積 指導(dǎo)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于激光能量沉積的提高沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)來流捕獲量的方 法。本發(fā)明首次提出將高重頻激光能量擊穿來流形成的準(zhǔn)靜態(tài)波與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)前體斜激波 相互作用，給出了激光參數(shù)和注入位置的優(yōu)化選擇方案，使原本可能溢出的來流偏轉(zhuǎn)進(jìn)入 進(jìn)氣道內(nèi)壓縮段，提高進(jìn)氣捕獲量。本發(fā)明提出的整形激光束為片光并聚焦的方法，為控制 二維平面沖壓式進(jìn)氣道提供了可行技術(shù)途徑。本發(fā)明可應(yīng)用于超聲速和高超聲速飛行器進(jìn) 氣捕獲量控制。
[0006] 本發(fā)明描述預(yù)估沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣捕獲量及前體斜激波分布，實(shí)現(xiàn)方案如下：
[0007] (1)數(shù)值模擬飛行器周圍流場(chǎng)狀態(tài)。求解NS方程，根據(jù)來流總溫確定氣體模型為 理想氣體或非平衡氣體，以飛行器構(gòu)型為參照構(gòu)建和劃分計(jì)算網(wǎng)格，以真實(shí)來流狀態(tài)為依 據(jù)確定計(jì)算初始條件和來流參數(shù)。根據(jù)計(jì)算得到進(jìn)氣道流量，確定溢流是否發(fā)生，前體斜激 波位置以及強(qiáng)度。
[0008] (2)在實(shí)驗(yàn)室條件下，根據(jù)馬赫和雷諾相似準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)飛行器縮比模型開展風(fēng)洞試 驗(yàn)，根據(jù)紋影或陰影照片判斷溢流是否發(fā)生以及前體斜激波位置和強(qiáng)度。
[0009] 本發(fā)明描述整形激光束為片光，實(shí)現(xiàn)方案如下：
[0010] (1)利用高反鏡反射激光束，使光束中心通過預(yù)定的激光能量沉積位置；
[0011] ⑵利用凹柱面鏡將激光束擴(kuò)束，使圓形激光束變?yōu)榧?xì)長(zhǎng)橢圓形；
[0012] (3)利用矩形狹縫限制橢圓形激光束，狹縫長(zhǎng)度設(shè)置為進(jìn)氣道唇口寬度，在確定狹 縫長(zhǎng)度之后確定狹縫寬度，其指標(biāo)為保證盡量多的激光能量通過狹縫；
[0013] (4)利用凸柱面鏡匯聚片光，在流場(chǎng)特定位置聚焦擊穿來流。
[0014] 本發(fā)明建立了激光片光聚焦擊穿超聲速或高超聲速流場(chǎng)形成準(zhǔn)靜態(tài)波的方法，并 給出了激光參數(shù)的優(yōu)化選擇，實(shí)現(xiàn)方案如下：
[0015] (1)擊穿位置選擇方法：沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)唇口上游延長(zhǎng)線與第一道前體斜激波交點(diǎn) 處；
[0016] (2)激光輸出功率大小選擇方法：0.02倍左右的來流焓值H，H=P"cpT"V"L2， 其中cp為定壓比熱，L為唇口寬度，P和V"分別為自由流密度、溫度和速度；
[0017] (3)激光頻率選擇方法：根據(jù)來流速度選擇激光頻率，使得單脈沖激光引致的點(diǎn) 爆炸波合并形成準(zhǔn)靜態(tài)波。
[0018] 本發(fā)明給出了激光引致的準(zhǔn)靜態(tài)波用于提高進(jìn)氣道進(jìn)氣捕獲量的方法，實(shí)現(xiàn)方案 如下：
[0019](1)準(zhǔn)靜態(tài)波與前體斜激波相互作用后射向進(jìn)氣道外壓縮段的壁面，在壁面的反 射波進(jìn)入進(jìn)氣道內(nèi)壓縮段；
[0020] (2)準(zhǔn)靜態(tài)波后為高溫、低壓、低密度區(qū)域，來流被準(zhǔn)靜態(tài)波壓縮后進(jìn)入該區(qū)域，來 流方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)；
[0021] (3)原本可能溢出的來流偏轉(zhuǎn)進(jìn)入進(jìn)氣道內(nèi)壓縮段，進(jìn)氣捕獲量得到提高。
[0022] 本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)是
[0023] 1)二維激光能量注入方式，便于控制二維流場(chǎng)。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道往往是二維的， 采用片光整形光路將激光能量聚焦為平面二維構(gòu)型，聚焦擊穿之后產(chǎn)生近似二維的準(zhǔn)靜態(tài) 波，便于流動(dòng)控制。
[0024] 2)能量注入大小、位置和頻率可控性強(qiáng)。激光器響應(yīng)快，可調(diào)節(jié)性強(qiáng)。通過調(diào)節(jié)激 光器輸出能量模式，可針對(duì)不同的來流狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)的控制手段的優(yōu)化。
[0025] 3)工程應(yīng)用性強(qiáng)。對(duì)多種偏離設(shè)計(jì)馬赫數(shù)的來流條件都具備較強(qiáng)的適用性。
【附圖說明】
[0026] 圖1為說明本發(fā)明的激光能量注入提高進(jìn)氣捕獲量概念圖；
[0027] 圖2為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的片光整形光路圖；
[0028] 圖3為本發(fā)明的激光引致的點(diǎn)爆炸波合并形成準(zhǔn)靜態(tài)波圖；
[0029] 圖4為本發(fā)明的準(zhǔn)靜態(tài)波與前體斜激波相互作用圖；
[0030] 圖5為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置布局圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 現(xiàn)結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明將激光能量用于提高沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣捕獲量的方