在超聲速和高超聲速導彈等航空航天飛行器設計中,降低阻力和氣動加熱是一個巨大挑戰。降低阻力意味著增加射程、提高經濟性、簡化對推進系統的要求、並使有效載荷與起飛總質量之比最大化。降低氣動加熱有助於保護載荷,降低製造成本。
不少但導彈的都採用鈍頭體外形設計。降低鈍頭體阻力和氣動加熱始終是氣動領域的研究課題,它對提升導彈等高速飛行器性能具有重要的現實意義。
太空梭也採用了鈍頭體設計,方便再入大氣層時將更多機械能轉化為熱能

太空梭在大攻角下機頭處形成一道弓形激波

鈍頭體相比尖頭體具有高容積結構特性且氣動加熱相對平緩,在以超聲速或高超聲速飛行的導彈、太空梭、可重複使用運載器、星際太空飛行器等設計中,鈍頭體是常見的氣動佈局形式。

超聲速風洞中從槍口迎風射出的鈍頭體彈頭,在前端形成一個弓形激波。當鈍頭體高速飛行時,頭部會產生一個強弓型激波,它使鈍頭體遭受高氣動阻力( 包括波阻、摩阻和底阻) 和氣動加熱。
日本的Epsilon運載火箭在1.5個馬赫數下箭體激波分佈,頭部的弓形激波清晰可見

超聲速高超聲速飛行時,鈍頭體產生的脫體弓型激波迎風面表面壓力增高並導致阻力增大和氣動加熱水平提高的主要原因改變鈍頭體前的強激波流場形態能夠達到減阻和降低氣動加熱的目的

自上世紀 50年代以來,國外針對鈍頭體減阻開展了持續探索研究,提出了鈍頭體附加長釘( 也稱為激波桿、減阻桿) ,逆向吹氣,激光束或微波束射流、等離子炬或電弧放電等駐點能量 注入、甚至鈍頭體超聲速射彈等減阻概念。

長釘減阻

在鈍頭體上附加長釘,鈍頭體繞流流場將發生改變:

1) 原鈍頭體的強弓型激波被長釘推離鈍頭體表面轉變成斜激波;

2) 鈍頭體上將產生再附激波;

3) 在長釘頭至根部將形成低壓迴流區。從而達到鈍頭體減阻和降低原駐點表面熱流的效果。

雙長釘結構下的流場模擬,左圖是流場馬赫數輪廓線,右圖是等溫線

長釘使鈍頭體的流場變得更加複雜減阻降熱的效果長釘的長度及頭部形態密切相關,因為長釘的這些參數直接影響其形成的激波形態及與鈍頭體再附激波的幹擾位置。因此,長期以來的研究主要集中在根據鈍頭體的具體形狀優化長釘長度及其頭部形狀,以達到最佳減阻效果。長釘頭部形狀主要有半圓頭、平頭、錐頭等。

錐頭,半圓頭和平頭長釘以及附近流場結構,低迴壓流區清晰,能夠產生減阻效果
左圖給出了鈍頭體及附加長釘後流態發生的變化;右圖是研究的長釘及鈍頭體參數對阻力、氣動加熱及流動穩定性的影響。

長釘減阻概念是一種被動流動控制技術,自 20世紀 50 年代以來,國外進行了大量風洞試驗和數值計算研究。該概念在美國三叉戟 I 型彈道導彈上得到應用,三叉戟 I 型導彈設計了可伸縮的長釘,在高超聲速飛行時,減阻效果達到 52% 。

美國的三叉戟1型導彈安裝了錐頭長釘

三叉戟導彈結構

儘管尖頭體相比鈍頭體具有更低的阻力,但卻面臨更嚴重的氣動加熱問題增加防熱系統將大幅抵消尖頭體的低阻力優勢

第一個成功飛行的超燃衝壓發動機Hyshot。Hyshot先由火箭助推起飛,飛到330公里的外太空,之後轉向回歸地球,開始做自由落地運動。落到35到25公里高空速度達到7.6馬赫後發動機開始點火。上圖為Hyshot在風洞中的實驗,尖頭體使其飛行具有更低的阻力

推薦閱讀:
相關文章