空气入口装置及其制造方法制造方法及图纸

在本文中公开了适于与超音速喷气发动机一起使用的空气入口装置，所述超音速喷气发动机配置成当超音速喷气发动机以预定的功率设置操作并以预定的马赫速度移动时以预定质量流率消耗空气。所述空气入口装置包括但不限于具有整流罩唇缘的整流罩以及与整流罩同轴对准的中心体。中心体的突出部分在整流罩唇缘的上游延伸的长度大于常规尖头长度。突出部分配置成使得流过突出部分的空气转向离开到达超音速喷气发动机的入口路径，从而接近和进入入口的剩余空气流与预定质量流率相匹配。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】空气入口装置及其制造方法相关申请的交叉引用本申请要求于2012年7月3日提交的在先提交的美国非临时专利申请第13/541,482号的优先权，该美国非临时专利申请要求于2011年8月19日提交的61/525,604的优先权，上述申请在此以其整体通过引用并入本文。
本专利技术总体上涉及飞行器，以及更具体地涉及用于与超音速喷气发动机一起使用的空气入口装置以及空气入口装置的制造方法。
技术介绍
由推进系统的短舱整流罩表面在超音速飞行速度下产生的声音干扰，以及来自入口捕获流管的空气动力学边界表面的那些声音干扰，以及来自喷管的喷射羽流排气，均会影响飞行器音爆的可感知响度。传统设计的短舱产生大量的激波，这些激波最终合并成飞行器的整体音爆印迹。在减小这些激波特征强度方面的挑战在于在超音速流场中重新确定流线路径而不产生离散干扰这一内在困难。溢流是很大程度上助长音爆强度的入口特性。溢流是不能由推进系统使用且通过入口压力场围绕进气口侧面自然转向（“溢流”）的过剩流量。在典型的设计中，溢流通过结尾激波而发生，这是在典型的入口设计中可以如此作用的唯一物理机制。由于例如偏离设计的发动机操作，所需的溢流越多，则入口的结尾激波自动地变得越强，并且对音爆产生更加不利的影响。因为音爆是一种激波，该特征是离散的，将脉冲叠加到飞行器的声场内。并且由于其离散性质，难于利用其它低音爆设计技术来减轻或消除脉冲特征。整流罩表面在流向方向上在进气口和喷管出口两者处的角度会助长爆音强度，就像用于将短舱围绕诸如齿轮箱的发动机隆起部分装配的整流罩突起或膨出那样。进气整流罩角度和短舱膨出对于迎面而来的超音速流产生阻隔特征，其产生压缩激波。此外，在喷管出口处的整流罩角度连同任何整流罩膨出的下游表面会产生膨胀波扇，其倾向于通过压缩激波重新适应于局部流场。最后，在典型的设计中，由于通过与短舱整流罩的流-角度都不匹配以及排气出流压力与喷管出口面积的不匹配而沿其剪切表面产生强烈的压缩激波和膨胀-反射激波特征，排气喷射羽流本身会恶化局部声场。偏离设计的发动机操作进一步恶化这种流-角度和压力的不匹配。这些问题都在图1至图3中示出，图1至图3示出现有的超音速喷气发动机。图1示意性示出了现有技术的超音速喷气发动机20，其具有配置成在预定的马赫速度下操作的入口装置22和喷管装置24。入口装置22包括整流罩26和中心体28。中心体28与整流罩26同轴地对准。整流罩26包括整流罩唇缘30，以及中心体28包括压缩表面32和顶点34（也被称为“前缘”）。整流罩唇缘30和压缩表面32共同限定入口36，其允许空气到达涡轮增压机械37。中心体28的突出部分38（也称为“尖头”）从整流罩唇缘30向前延伸距离L1。接近现有技术的超音速喷气发动机20的超音速气流（未示出）在进入到入口36内之前将遇到突出部分38。超音速气流最初将遇到顶点34，产生初始激波（未示出），该初始激波将以倾斜角度在向后的方向上延伸，除其它因素外，所述倾斜角度对应于现有技术的超音速喷气发动机20所行进的马赫速度。通常而言，期望的是突出部分38具有的长度使得当飞行器正在以预定的马赫速度（也称为“设计速度”或“巡航速度”）运动时该长度将导致从顶点34延伸到整流罩唇缘30的初始激波。当飞行器正在以预定的马赫速度运动时将导致初始激波从顶点34延伸到整流罩唇缘30的突出部分的长度在本文中将被称为“常规尖头长度”。喷管装置24包括具有后缘42的喷管40。喷管装置24还包括具有表面46的塞体44。后缘42和表面46限定出口48。塞体44配置成控制排气气体（本文称之为“排气羽流”）的膨胀，所述排气气体在现有技术的超音速喷气发动机20的操作过程中从涡轮增压机械37排出。当排气羽流沿着塞体44向下游行进时，塞体44具有连续减小的直径，其提供用于容纳排气羽流膨胀气体的空间。塞体44控制排气羽流的排气气体膨胀的能力在塞体44的尾端50处终止。在尾端50下游的点处，排气羽流的排气气体将变得完全膨胀开。如图1中所示，塞体44的突出部分52延伸超过整流罩40后缘42的距离为L2。如本领域内已知的那样，长度L2由发动机设计人员选择成对应于当现有技术的超音速喷气发动机20以对应于预定马赫数的功率设置操作时，传播离开后缘42内表面的马赫线的交点。与传播离开后缘42内表面的马赫线的交点对应的突出部分的长度在本文中将被称为“常规塞体长度”。图2示出了在预定的马赫速度下行进的现有技术的超音速喷气发动机20。当现有技术的超音速喷气发动机20沿着顺向航程行进时，空气自由流52接近突出部分38。自由流52的一部分已经以虚线示出为形成流管54。流管54具有的直径对应于整流罩唇缘30处的直径，并具有对应于涡轮增压机械37操作的离散时间段的长度。流管54内的所有空气将与入口装置22有一些相互作用，流管54内的一部分空气将进入到入口36内以及剩余部分的空气将从入口36溢流出去。自由流52和顶点34之间的相互作用产生初始激波56。自由流52与整流罩唇缘30的相互作用产生结尾激波58，其向内朝向压缩表面32传播。自由流52与整流罩唇缘30的相互作用还产生整流罩激波60，其从现有技术的超音速喷气发动机20向外传播。整流罩激波60的强度部分地对应于整流罩唇缘30相对于水平线所倾斜的角度。该角度越大，整流罩激波60将越强。现有技术的超音速喷气发动机20配置成以预定质量流率消耗空气，同时以预定的马赫速度沿着顺向航程行进。当超音速喷气发动机20沿着顺向航程行进时，它会消耗一定体积的空气，所述体积小于流管54内的可用体积。因此，流管54内的一部分空气将进入到入口36内，以及流管54内的一部分空气的将溢流出去（“过剩空气”）。流管54内的过剩空气必须在相对于入口36沿径向向外的方向上移动以便溢流出去。然而，直到过剩空气已经通过结尾激波58之后过剩空气才能从临近入口36的路径移动出去。这是因为喷气发动机通过空气朝向流管54的移动导致的压力干扰仅以音速移动，而喷气发动机以超过音速的速度接近流管54。因此，直到过剩空气已经通过结尾激波58之后才会出现过剩空气从入口36的路径移动出去的首次机会。该现象在图3中示出。图3示出当流管54接近入口36时流管54的外层62。外层62代表过剩空气，即流管54的下述部分，其不会由涡轮增压机械37消耗掉（参见图2）且因此将不会进入到入口36内。一旦外层62通过结尾激波58，其会遇到与现有技术的喷气发动机20通过自由流52移动相关的压力干扰。如图所示，外层62则在横向上被推压到一侧并围绕着整流罩唇缘30溢出。外层62离开入口36的路径以及围绕着整流罩唇缘30的溢流导致整流罩激波60移动到整流罩唇缘30的前方，从而增加其强度。该激波越强，与其相关的噪声干扰将更大。返回到图2，排气羽流63从出口48喷出。在图示的示例中，排气羽流63构成向下游远离喷管装置24移动的排气直圆柱。接近喷管40后缘42的空气自由流64相对于由排气羽流63形成的直圆柱以一定的角度行进。当空气自由流64经过后缘42并遇到排气羽流63时，由排气羽流63生成的剪切层的行为类似于固体表面，并导致空气自由流64突然改变方向。方向的这种突然改变引起尾部激波66。空气自由流64和排气羽流63之间的相遇本文档来自技高网...

【技术保护点】
适于与超音速喷气发动机一起使用的空气入口装置，所述超音速喷气发动机配置成当超音速喷气发动机以预定的功率设置操作并以预定的马赫速度移动时以预定质量流率消耗空气，所述空气入口装置包括：具有整流罩唇缘的整流罩；以及与整流罩同轴对准的中心体，所述中心体具有顶点、顶点下游侧的第一压缩表面，以及所述第一压缩表面下游侧的第二压缩表面，所述第二压缩表面与整流罩唇缘间隔开，使得第二压缩表面和整流罩唇缘限定入口；其中，中心体的突出部分在整流罩唇缘的上游延伸的长度大于常规尖头长度，并且中心体的突出部分配置成使得位于入口路径中的空气流的一部分转向离开入口路径，从而接近和进入入口的剩余空气流不大于当超音速喷气发动机以预定的功率设置操作并以预定的马赫速度移动时的预定质量流率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.08.19 US 61/525,604;2012.07.03 US 13/541,4821.适于与超音速喷气发动机一起使用的空气入口装置，所述超音速喷气发动机配置成当超音速喷气发动机以预定的功率设置操作并以预定的马赫速度移动时以预定质量流率消耗空气，所述空气入口装置包括：具有整流罩唇缘的整流罩；以及与整流罩同轴对准的中心体，所述中心体具有顶点、顶点下游侧的第一压缩表面，以及所述第一压缩表面下游侧的第二压缩表面，所述第二压缩表面与整流罩唇缘间隔开，使得第二压缩表面和整流罩唇缘限定入口；其中，中心体的突出部分在整流罩唇缘的上游延伸，并且中心体的突出部分配置成使得位于中心体的上游并且与中心体纵向对准的空气柱的一部分转向，所述空气柱具有由所述整流罩的前缘限定的外围，所述空气柱的一部分被所述中心体的突出部分转向离开入口路径，使得当超音速喷气发动机以预定的功率设置操作并以预定的马赫速度移动，超音速喷气发动机以预定质量流率消耗空气时，进入入口的所述空气柱的剩余子部分不大于超音速喷气发动机可消耗的空气量。2.根据权利要求1所述的空气入口装置，其特征在于，所述整流罩唇缘以平行于自由流方向的角度取向。3.根据权利要求1所述的空气入口装置，其特征在于，所述入口具有环形构造。4.根据权利要求1所述的空气入口装置，其特征在于，进一步包括设置于所述第一压缩表面和第二压缩表面之间的膨胀表面。5.根据权利要求4所述的空气入口装置，其特征在于，所述第一压缩表面与膨胀表面邻接，并且其中所述膨胀表面与第二压缩表面邻接。6.根据权利要求1所述的空气入口装置，其特征在于，所述第二压缩表面是等熵压缩表面。7.根据权利要求1所述的空气入口装置，其特征在于，所述第二压缩表面是松弛等熵压缩表面。8.适于与超音速喷气发动机一起使用的空气入口装置，所述超音速喷气发动机配置成当超音速喷气发动机以预定的功率设置操作并以预定的马赫速度移动时以第一预定质量流率消耗空气，所述空气入口装置包括：具有整流罩唇缘的整流罩；与整流罩同轴对准的中心体，中心体具有顶点、顶点下游侧的第一压缩表面，以及所述第一压缩表面下游侧的第二压缩表面，第二压缩表面与整流罩唇缘间隔开，使得第二压缩表面和整流罩唇缘限定入口；以及旁路分流器，其设置于整流罩和中心体之间以形成旁路，所述旁路配置成当超音速喷气发动机以预定的功率设置操作且以预定的马赫速度移动时以第二预定质量流率接收空气；其中，中心体的突出部分在整流罩唇缘的上游延伸，并且中心体的突出部分配置成使得位于中心体的上游并且与中心体纵向对准的空气柱的一部分转向，所述空气柱具有由所述整流罩的前缘限定的外围，所述空气柱的一部分被所述中心体的突出部分转向离开入口路径，使得当超音速喷气发动机以预定的功率设置操作并以预定的马赫速度移动，超音速喷气发动机以第一预定质量流率消耗空气并且旁路以第二预定质量流率消耗空气时，进入入口的所述空气...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·R·康纳斯，P·A·亨，D·C·豪，
申请(专利权)人：湾流航空航天公司，
类型：发明
国别省市：美国;US