一种高速飞行器微波纹结构表面及其设计方法与流程
本发明涉及高速空气动力学，更具体地讲，涉及一种高速飞行器微波纹结构表面及其设计方法。
背景技术：
1、高速滑翔飞行器、天地往返飞行器等重复多次跨越大气层、临近空间和轨道空间的空天飞行器以及中远程弹道导弹是目前航天领域的发展热点。此类飞行器的飞行马赫数较高，飞行过程中面临严峻的气动力/热问题。具体表现在，高速环境下飞行器表面将承受较大的摩擦力，飞行器整体摩阻大，飞行器前缘驻点、舵面等关键位置的热流密度极高；再加上此类飞行器的巡航时间较长，飞行器将长时间承受高强度气动力/热载荷。严峻的气动力/热环境成为制约高速飞行器向“更高速度、更远射程、更低辐射”等方向发展的关键难题。
2、防热技术包括主动防热和被动防热两大类。
3、目前工程上多采用涂抹/安装可烧蚀放热材料的被动放热技术。但此类被动防热技术无法重复使用，不适用于多次往返大气层的空天飞行器。国内外尝试采用气/液膜冷却、发汗冷却、逆向射流等主动防热技术来解决上述难题。其中，逆向射流技术可以有效降低驻点温度，但该技术的原理限制了其在方向舵等其他关键位置的应用。气/液膜冷却和发汗冷却技术有着大面积降热的能力，但此类技术需要借助多孔材料和冷却介质，冷却介质在多孔材料中易发生相变造成阻塞，从而影响冷却效果，且气/液膜冷却和发汗冷却技术需要配备冷却介质的储存和输送装置，进而增大了飞行器的总重量，影响飞行器的综合性能。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是，提供一种高速飞行器微波纹结构表面及其设计方法；利用微波纹结构形成的微尺度涡流，降低高速气流与飞行器表面之间的摩擦，实现高速飞行器关键位置的减阻降热，从而提高飞行器的航程和红外隐身特性。
2、本发明解决技术问题所采用的解决方案是：
3、一种高速飞行器微波纹结构表面，包括多组设置在飞行器表面且沿x轴方向依次连接的微波纹结构单元；
4、多组所述微波纹结构单元结构相同，包括呈z轴方向设置的侧面、与侧面的底部连接的底面、与底面远离侧面一侧连接的曲面、以及与曲面远离底面一侧连接的上表面；所述侧面与飞行器表面或相邻的微波纹结构单元中的上表面远离曲面的一侧连接；
5、所述侧面设置在靠近气流上游的一侧。
6、在一些可能的实施方式中，所述底面与曲面靠近底面一侧相切；所述曲面远离底面的一侧与相邻微波纹结构单元的上表面相切。
7、在一些可能的实施方式中，所述曲面的母线为样条曲线；
8、其中，与底面连接的曲线段的曲率半径为，与飞行器表面连接的曲线段的曲率半径为；
9、其中，为侧面在z轴方向的最大长度。
10、在一些可能的实施方式中，每组所述微波纹结构单元中的曲面为多组且沿y轴方向呈等间距设置；所述侧面、上表面与曲面数量相同且一一对应设置，所述侧面、上表面与曲面依次连接且形成投影在底面所在平面上呈c型结构的第一c型微波纹件；每组所述微波纹结构单元中相邻两组第一c型微波纹件之间形成用第一间隙；所述第一间隙靠近气流上游一侧的开口尺寸小于其远离气流上游一侧的开口尺寸。
11、在一些可能的实施方式中，在所述底面还设置与第一c型微波纹件结构相同且与第一c型微波纹件呈交错设置的第二c型微波纹件，相邻两组第二c型微波纹件之间形成与第一间隙相同的第二间隙；所述第二c型微波纹件位于两组第一c型微波纹件之间。
12、在一些可能的实施方式中，所述上表面与侧面连接处倒圆角，所述底面与侧面相互垂直；所述底面与上表面平行设置。
13、在一些可能的实施方式中，以曲面的母线的起点为原点，母线的表达式如下：
14、；
15、其中，、为系数，的取值范围为[0.8,1.2]，的取值范围为[0.9,1.1]；
16、为上表面沿气流方向的长度；
17、为曲面沿气流方向的长度；
18、t为母线起止变量，当t=0表示母线起点，当t=1表示母线终点；
19、为母线的x坐标关系t的函数；
20、为母线的y坐标关系t的函数。
21、一种如以上所述的一种高速飞行器微波纹结构表面的设计方法，具体包括以下步骤：
22、根据高速飞行器的飞行条件，结合飞行器表面热流分布情况，对微波纹结构单元形状和尺寸设计；
23、所有微波纹结构单元排布设计；
24、根据高速飞行器的实际飞行条件，计算微波纹结构表面处的流场，获取微波纹结构区域的摩阻系数和热流分布，判断减阻降热效果是否达到预期目标，若未达到预期目标，调整微波纹结构单元形状和尺寸设计，直至符合要求。
25、在一些可能的实施方式中，在进行微波纹结构单元形状和尺寸设计时，具体包括以下步骤：
26、根据气流流动条件，对侧面、底面、曲面、上表面沿气流方向的长度进行无量纲化；得到：
27、；
28、；
29、；
30、；
31、；
32、其中，，τ为表面切应力，为密度；
33、为运动粘性；
34、为微波纹结构单元沿x轴方向的长度；
35、为上表面沿x轴方向的长度；
36、为底面沿x轴方向的长度；
37、为侧面沿z轴的最大长度；
38、为曲面沿x轴方向的长度；
39、为微波纹结构单元沿气流方向的无量纲长度，；
40、为上表面沿气流方向的无量纲长度，；
41、为底面沿气流方向的无量纲长度，；
42、为侧面沿竖向的无量纲长度，；
43、为曲面沿气流方向的无量纲长度，。
44、在一些可能的实施方式中，所有微波纹结构单元排布设计具体是指，根据微波纹结构单元尺寸和加工精度，进行微波纹结构单元排布设计。
45、与现有技术相比，本发明的有益效果：
46、本发明通过设计能够利用高速边界层底层流动特性的微波纹结构，并在飞行器前缘、舵面等摩擦阻力和热流密度较大区域的蒙皮上刻蚀相应的微波纹结构单元，通过排布设计，形成微波纹结构表面，从而实现高速飞行器关键位置的减阻降热，进而提高飞行器的航程和红外隐身特性；
47、本发明可根据实际飞行条件，调整微波纹结构的形状、尺寸和排布方式，改善微波纹结构附近的流动特性，提高微波纹结构表面的减阻降热效果。
技术特征：
1.一种高速飞行器微波纹结构表面，其特征在于，包括多组设置在飞行器表面且沿x轴方向依次连接的微波纹结构单元；
2.根据权利要求1所述的一种高速飞行器微波纹结构表面，其特征在于，所述底面与曲面靠近底面一侧相切；所述曲面远离底面的一侧与上表面相切。
3.根据权利要求2所述的一种高速飞行器微波纹结构表面，其特征在于，所述曲面的母线为样条曲线；
4.根据权利要求1所述的一种高速飞行器微波纹结构表面，其特征在于，每组所述微波纹结构单元中的曲面为多组且沿y轴方向呈等间距设置；
5.根据权利要求4所述的一种高速飞行器微波纹结构表面，其特征在于，在所述底面还设置与第一c型微波纹件结构相同且与相邻的第二c型微波纹件呈交错设置的第二c型微波纹件，相邻两组第二c型微波纹件之间形成与第一间隙相同的第二间隙；所述第二c型微波纹件位于两组第一c型微波纹件之间。
6.根据权利要求2所述的一种高速飞行器微波纹结构表面，其特征在于，所述上表面与侧面连接处倒圆角，所述底面与侧面相互垂直；所述底面与上表面平行设置。
7.根据权利要求3所述的一种高速飞行器微波纹结构表面，其特征在于，以曲面的母线的起点为原点，母线的表达式如下：
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的一种高速飞行器微波纹结构表面的设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种高速飞行器微波纹结构表面的设计方法，其特征在于，在进行微波纹结构单元形状和尺寸设计时，具体包括以下步骤：
10.根据权利要求8所述的一种高速飞行器微波纹结构表面的设计方法，其特征在于，所有微波纹结构单元排布设计具体是指，根据微波纹结构单元尺寸和加工精度，进行微波纹结构单元排布设计。
技术总结
本发明涉及高速空气动力学技术领域，具体公开了一种高速飞行器微波纹结构表面及其设计方法；包括多组设置在飞行器表面且沿气流方向依次连接的微波纹结构单元；多组所述微波纹结构单元结构相同，包括呈竖向设置的侧面、与侧面的底部连接的底面、与底面远离侧面一侧连接的曲面、以及与曲面远离底面一侧连接的上表面；所述侧面与飞行器表面或相邻的微波纹结构单元中的上表面远离曲面的一侧连接；所述侧面设置在靠近气流上游的一侧。以及公开了其设计方法；本发明利用微波纹结构形成的微尺度涡流，降低高速气流与飞行器表面之间的摩擦，实现高速飞行器关键位置的减阻降热，从而提高飞行器的航程和红外隐身特性。
技术研发人员：陈琦,乔晨亮,李锦,李强,江定武,华如豪
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23