[发明专利]一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管及其设计方法

说明书

本发明提供了一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管及其设计方法，避免了采用现有流动控制手段对双钟形喷管工作模态转换进行控制而带来的复杂结构和附加重量，具有结构简单、重量小、性能高、可靠性高等优点。本发明设计的双钟形喷管包括收缩段和双钟形扩张段，双钟形扩张段又包括基础段型面和延伸段型面。基础段采用Rao氏最大推力型面设计，延伸段壁面压力分布可控，保证双钟形喷管具有快速的模态转换过程，有效抑制此过程产生的侧向载荷。一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管及其设计方法由型面转折控制区、延伸段压力分布、延伸段壁面单元点、延伸段型面点及型面转折角等的设计组成，保证了型面设计的可行性。

技术领域

本发明涉及火箭发动机技术领域，具体涉及一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管及其设计方法。

背景技术

喷管作为火箭发动机主要产生推力的重要组件之一，其工作性能的高低直接影响到发动机推力的大小。对于当前火箭发动机常用的固定面积比轴对称喷管而言，其在低空的过膨胀状态下易产生流动分离现象，而流动分离往往非对称，给喷管带来有害的侧向载荷，危及喷管结构和火箭入轨精度。工程设计中常采用限制喷管面积比的方式避免过膨胀状态下的流动分离现象，但这同时也制约了发动机性能的发挥。

双钟形喷管作为一种结构简单、技术难度相对较小的高度补偿喷管，能够通过控制分离流动以使喷管拥有较大的面积比，进而提高发动机性能。双钟形喷管扩张段分为基础段和延伸段型面，二者之间为型面转折点。型面转折的存在，使得双钟形喷管能够对大面积比喷管产生的分离流动进行有效控制。在低空状态下，气流被迫分离在型面转折点，避免了非对称分离的出现，从而有效抑制了不利的侧向载荷。此时基础段喷管工作在满流状态下，而延伸段喷管处于分离状态。在高空状态下，基础段和延伸段喷管均工作在满流状态下，充分利用了喷管面积比，进而大幅提升了发动机性能。

尽管双钟形喷管具有上述优点，但其也存在低空分离工作模态向高空满流工作模态转换过程中侧向载荷较大的缺点。模态转换中存在的侧向载荷降低了发动机的工作可靠性，成为双钟形喷管走向工程应用的一大难题。采取射流等流动控制手段能够对双钟形喷管工作模态的转换进行控制，降低此过程中的侧向载荷，提高发动机工作可靠性，但却需要额外气源和管路，造成发动机结构、重量的增加。在此背景下，如何通过双钟形喷管延伸段型面自身的设计有效抑制工作模态转换过程中的侧向载荷，成为双钟形喷管设计中的关键问题。

发明内容

本发明提供了一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管及其设计方法，通过设计等压分布或等逆压梯度分布的延伸段，能够保证模态转换过程更加迅捷，有效避免了转换过程中分离点在延伸段型面上的脉动，进而避免了出现严重的侧向载荷，保证双钟形喷管在获得高性能的同时，兼具较高的可靠性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据设计要求，确定要设计的延伸段壁面压力分布可控的双钟形喷管的喷管基础段2长度L_b、喷管延伸段3的长度L_e、喷管基础段2的面积比ε₁和喷管延伸段3的面积比ε₂；

步骤二、计算型面转折控制区10气流参数；

步骤2.1、预先给定型面转折角15为数值α，并将其离散。以喷管基础段2出口最后一条右行特征线9做为喷管延伸段3设计的起始特征线，通过普朗特-梅耶膨胀波关系式计算喷管扩张段型面转折点4的参数：

其中ν为普朗特-梅耶角，Ma为马赫数，γ为气流比热比；

步骤2.2、利用步骤2.1得到的喷管扩张段型面转折点4的参数，采用特征线法计算型面转折控制区10气流参数并得到型面转折点后的压力值；

步骤三、计算延伸段壁面压力分布8；