随着宽速域高超声速飞行器的发展,最近十几年,宽速域乘波体一直是乘波体领域的研究热点
[1]。宽速域乘波体既能保持高超声速设计状态的高升阻比特性,又在偏离设计点时性能下降不多,具有良好的应用潜力。目前提出的很多宽速域乘波体,如串联式乘波体
[2]、并联式乘波体
[3]、可变马赫数乘波体
[4-7]、可变形乘波体
[8-9]等,多为针对乘波曲面的改进,“宽速域”限定在马赫数
Ma>3的范围,难以兼顾亚声速性能。近年末,有学者提出了定平面形状乘波体概念,这种外形在高超声速阶段保持乘波效应,低速阶段通过合理的平面形状兼顾亚声速性能,引起了人们的特别关注。目前研究最多的定平面形状乘波体来源于密切锥方法
[10],笔者团队推导了密切锥方法中设计曲线与平面形状之间的设计几何关系式
[11],奠定了定平面形状乘波体的理论基础,得到了单后掠
[12]、双后掠
[13]、“S”前缘
[14]等平面形状的乘波体,大大提升了密切锥方法的灵活性。
基于密切锥方法的定平面形状乘波体设计,其理论推导基础是激波为直线型,锥形流是最常应用的基准流场,但它只是直线型激波流场(简称“直激波流场”)的一个特例,原则上说,只要高超声速流场的激波为直线型,就可以给定平面形状设计乘波体,因此将锥形流替换为其他的流场,是扩大定平面形状乘波体设计空间的有效途径;然而,锥形流场本身固有的一些特点使乘波体存在相应的缺陷,如纵向静稳定性不高
[15]、容积、升阻比有限等,尤其是锥形流压缩效率、流动均匀性不好,给下表面布置吸气式发动机进气道带来困难。Goonko等
[16]曾研究过使用内锥流场的乘波体设计,发现相比楔形流、锥形流具有压缩能力强、升力系数高的优势,因此使用内锥流场有望设计出具有强压缩能力的下表面,在升力特性、适配进气道方面具有探索价值。贺旭照等
[17]求解Taylor-Maccoll(T-M)方程得到直激波内锥流场,实现了密切内锥乘波体设计,大幅提高了前体压缩性。在直激波流场中,除了来流条件、激波角,沿物面的压力分布也是乘波体设计中重要的影响因素。Liu等
[18]通过改变物面边界,以及由此产生的压力分布,调节乘波体的升阻特性、稳定特性,对综合提高乘波体性能有很大作用。
本文参考以上思路,求解T-M方程并结合特征线法生成直激波内锥流场,并根据密切锥方法中的设计几何关系,开发基于内锥流场的定平面形状乘波体设计;设计具有不同物面边界的直激波内锥流场,分析不同流场边界及压力分布对乘波体性能的影响,包括气动力、下表面压缩性能,拓展定平面形状乘波体概念,扩大设计空间。