一种用于高超声速飞行器头部减阻的自适应激波杆装置

1.本发明涉及高超声速飞行器减阻技术领域，具体涉及一种用于高超声速飞行器头部减阻的自适应激波杆装置。


背景技术：

2.高超声速飞行器常采用较钝的前缘来承受剧烈的气动加热，而钝前缘产生的弓形激波将导致波后高压，进而导致较大的气动阻力，影响飞行器的气动性能，经过大量的研究发现高超声速飞行器头部安装激波杆，可以将激波推离物面并在头部形成低压回流区达到减阻效果，但是，传统激波杆的减阻效果会因为攻角和速度的变化减小，为解决上述问题研发了一种自适应激波杆减阻装置。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种用于高超声速飞行器头部减阻的自适应激波杆装置，该自适应激波杆装置能够同时调节激波杆的长度和角度，以满足高超声速飞行器头部减阻杆在不同工况下减阻效率的要求。
4.本发明采用以下具体技术方案：
5.一种用于高超声速飞行器头部减阻的自适应激波杆装置，该自适应激波杆装置包括储气装置、带有活塞式激波杆的球形铰链、气缸、连杆、十字形杠杆、压力传感器以及控制系统；
6.所述储气装置固定连接于飞行器本体的尾部，并与所述活塞式激波杆和所述气缸连通；
7.所述球形铰链安装于所述飞行器本体的头部内侧；
8.所述活塞式激波杆固定连接于所述球形铰链，并从所述飞行器本体的头部中心位置穿出且露出于所述飞行器本体外部；
9.在所述飞行器本体的头部外表面沿其周向均匀分布有四个所述压力传感器；
10.所述十字形杠杆位于所述飞行器本体内，中心位置活动连接于所述储气装置，并具有沿周向均匀分布的四个半杠杆；
11.沿所述飞行器本体的轴向，每个所述半杠杆与一个所述压力传感器一一对应；
12.所述球形铰链的外周面铰接有四个与每个所述半杠杆一一对应的连杆；所述连杆的长度方向与所述飞行器本体的轴向重合；所述连杆的另一端与对应的所述半杠杆的中部铰接；
13.在所述飞行器本体的内侧壁固定连接有与每个所述半杠杆一一对应的气缸；所述气缸的活塞杆沿所述飞行器本体的轴向伸缩，并且每个活塞杆的外端部均与对应的半杠杆铰接，用于通过所述活塞杆驱动的所述半杠杆摆动，从而通过对应的所述连杆带动所述球形铰链转动以调节所述活塞式激波杆的倾斜角度；
14.所述控制系统与所述压力传感器和所述储气装置连接，并根据所述压力传感器检
进气道，52-铰接点，61-活塞杆，81-半杠杆
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.如图1和图2结构所示，本实施例提供了一种用于高超声速飞行器头部减阻的自适应激波杆装置，该自适应激波杆装置安装于飞行器本体1，并包括储气装置4、带有活塞式激波杆2的球形铰链5、气缸6、连杆7、十字形杠杆8、压力传感器3以及控制系统；为了方便说明，在本实施例中，以图1中安装有球形铰链5的一端定义为飞行器本体1的头部，安装有储气装置4的一端为飞行器本体1的尾部，以图1中活塞式激波杆2的自由端为前端、且与球形铰链5连接的一端活塞式激波杆2的后端，同理，连杆7与球形铰链5连接的一端为前端且与十字形杆连接的一端为后端；
36.储气装置4固定安装于飞行器本体1的尾部，并与活塞式激波杆2和气缸6连通；储气装置4用于储存高压气体并为气缸6和活塞式激波杆2提供气体，同时为十字形杠杆8提供安装基础；储气装置4与活塞式激波杆2之间可以通过第一输气管路9连通；
37.球形铰链5安装于飞行器本体1的头部内侧；球形铰链5包括球体和设置于球体外周面的四个铰接点52；球体的前端与飞行器本体1形状配合，以便实现球体的转动；
38.活塞式激波杆2固定连接于球形铰链5，并从飞行器本体1的头部中心位置穿出且露出于飞行器本体1外部；如图2和图3所示，活塞式激波杆2内部设置有活塞，通过储气装置4向活塞式激波杆2内输送的气体推动活塞21向前端移动能够实现活塞式激波杆2的伸长；图3为活塞式激波杆2处于伸长状态的结构示意图；图4为通过气缸6驱动使活塞式激波杆2处于倾斜状态时的结构示意图；
39.如图1所示，在飞行器本体1的头部外表面沿其周向均匀分布有四个压力传感器3；通过压力传感器3可以测量飞行器本体1对应位置处的压力值；
40.如图2、图3和图5所示，十字形杠杆8位于飞行器本体1内，中心位置活动连接于储气装置4，并具有沿周向均匀分布的四个半杠杆81；四个半钢杆结构相同，并与四个压力传感器3位置相对；为了方便十字形杠杆8以中心连接点作为支点进行摆动，储气装置4在朝向十字形杠杆8的一端设置有用于连接十字形杠杆8的凸台41，通过突出于储气装置4前端面的凸台41能够实现十字形杠杆8的自由摆动，避免储气装置4的前端面限制十字形杠杆8的摆动；沿飞行器本体1的轴向，每个半杠杆81与一个压力传感器3一一对应，通过与压力传感器3对应的半杠杆81、连接于半杠杆81的连杆7和活塞杆61、以及球铰链5，方便进行对应部位的阻力调节；
41.如图2和图3结构所示，球形铰链5的外周面铰接有四个与每个半杠杆81一一对应的连杆7；连杆7的长度方向与飞行器本体1的轴向重合；连杆7的另一端与对应的半杠杆81的中部铰接；球形铰链5外周面的四个铰接点52形成铰接平面，铰接平面穿过球形铰链5的球心且与活塞式激波杆2的轴向垂直；
42.如图2和图3结构所示，在飞行器本体1的内侧壁固定连接有与每个半杠杆81一一
对应的气缸6；储气装置4与每个气缸6之间可以通过一个第二输气管路10单独连通；气缸6的活塞杆61沿飞行器本体1的轴向伸缩，并且每个活塞杆61的外端部均与对应的半杠杆81铰接，用于通过活塞杆61驱动的半杠杆81摆动，从而通过对应的连杆7带动球形铰链5转动以调节活塞式激波杆2的倾斜角度；
43.控制系统与压力传感器3和储气装置4连接，并根据压力传感器3检测的压力信号控制储气装置4对气缸6进行充放气和对活塞式激波杆2进行充气，用于调节活塞式激波杆2的倾斜角度和长度。
44.上述自适应激波杆装置用于高超声速飞行器的头部减阻，工作原理为：高超声速飞行器在飞行过程中，活塞式激波杆2与来流形成一定攻角，导致飞行器头部产生压差，压力传感器3检测出压差后，通过控制系统控制储气装置4对相应的气缸6进行充放气，储气装置4中的气体通过第二输气管路10进入或流出气缸6，实现气缸6内活塞杆61的伸缩运动，进而活塞杆61通过十字形杠杆8和连杆7带动球形铰链5偏转，使活塞式激波杆2的角度发生变化，对准来流方向；高超声速飞行器在飞行过程中，阻力增大，头部压强升高，压力传感器3检测到压力升高后，通过控制系统控制储气装置4放气，对活塞式激波杆2进行充气，气体通过第一输气管路9注入活塞式激波杆2，推动激波杆内部的活塞运动，使激波杆实现长度变化，从而降低飞行阻力。
45.上述自适应激波杆装置在飞行器本体1的头部安装压力传感器3、球形铰链5和活塞式激波杆2，通过四个压力传感器3检测头部的压力变化，控制系统控制储气装置4对气缸6进行充放气，通过气缸6的活塞杆61伸缩驱动十字形杠杆8进行摆动，从而依次通过十字形杠杆8、连杆7带动球形铰链5旋转，实现对激波杆倾斜角度的调节；同时还能通过控制系统控制储气装置4对活塞式激波杆2进行充气，实现激波杆长度的无级调节，从而减小飞行器的头部阻力；因此，采用上述自适应激波杆装置能够同时调节激波杆的长度和角度，实现高超声速飞行器的头部减阻，以满足高超声速飞行器头部减阻杆在不同工况下减阻效率的要求。
46.同时，储气装置4与活塞式激波杆2和气缸6之间分别通过不同的输气管路进行单独连通，使得各个气缸6的充放气与活塞式激波杆2的充气互相独立、互不干扰，提高了控制的准确性和可靠性。并且，储气装置4具有与活塞式激波杆2和气缸6一一对应连通的独立气源，能够进一步避免了各个气缸6和活塞式激波杆2的充气干扰。
47.另外，为了实现进一步的独立供气控制，储气装置4还具有与活塞式激波杆2和气缸6一一对应连通的独立气源，即，储气装置4具有与活塞式激波杆2和四个气缸6一一对应连通的五个独立气源，如：五个储气罐。
48.一种具体的实施方式中，如图2和图3所示，球形铰链5内部具有贯穿其球心的进气道51；进气道51形成第一输气管路9的一部分；球形铰链5内部填充有轻质材料，并由轻质材料围绕形成进气道51。轻质材料可以为碳纤维复合材料或者铝合金。
49.由于自适应激波杆装置在球形铰链5内部设置有贯穿其球心的进气道51，可以使气体通过球铰链内部直接注入活塞式激波杆2，减少了气体携带量；同时，球铰链内部采用轻质材料填充，减轻了球铰链重量；储气装置4内部划分三个部分，气缸6充放气与活塞式激波杆2充气互不干扰。
50.显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发
明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种用于高超声速飞行器头部减阻的自适应激波杆装置，其特征在于，包括储气装置、带有活塞式激波杆的球形铰链、气缸、连杆、十字形杠杆、压力传感器以及控制系统；所述储气装置固定连接于飞行器本体的尾部，并与所述活塞式激波杆和所述气缸连通；所述球形铰链安装于所述飞行器本体的头部内侧；所述活塞式激波杆固定连接于所述球形铰链，并从所述飞行器本体的头部中心位置穿出且露出于所述飞行器本体外部；在所述飞行器本体的头部外表面沿其周向均匀分布有四个所述压力传感器；所述十字形杠杆位于所述飞行器本体内，中心位置活动连接于所述储气装置，并具有沿周向均匀分布的四个半杠杆；沿所述飞行器本体的轴向，每个所述半杠杆与一个所述压力传感器一一对应；所述球形铰链的外周面铰接有四个与每个所述半杠杆一一对应的连杆；所述连杆的长度方向与所述飞行器本体的轴向重合；所述连杆的另一端与对应的所述半杠杆的中部铰接；在所述飞行器本体的内侧壁固定连接有与每个所述半杠杆一一对应的气缸；所述气缸的活塞杆沿所述飞行器本体的轴向伸缩，并且每个活塞杆的外端部均与对应的半杠杆铰接，用于通过所述活塞杆驱动的所述半杠杆摆动，从而通过对应的所述连杆带动所述球形铰链转动以调节所述活塞式激波杆的倾斜角度；所述控制系统与所述压力传感器和所述储气装置连接，并根据所述压力传感器检测的压力信号控制所述储气装置对所述气缸进行充放气和对所述活塞式激波杆进行充气，用于调节所述活塞式激波杆的倾斜角度和长度。2.如权利要求1所述的自适应激波杆装置，其特征在于，所述储气装置与所述活塞式激波杆之间通过第一输气管路连通；所述储气装置与每个所述气缸之间通过一个第二输气管路单独连通。3.如权利要求2所述的自适应激波杆装置，其特征在于，所述球形铰链内部具有贯穿其球心的进气道；所述进气道形成所述第一输气管路的一部分。4.如权利要求3所述的自适应激波杆装置，其特征在于，所述球形铰链内部填充有轻质材料，并由所述轻质材料围绕形成所述进气道。5.如权利要求4所述的自适应激波杆装置，其特征在于，所述轻质材料为碳纤维复合材料或者铝合金。6.如权利要求1-5任一项所述的自适应激波杆装置，其特征在于，所述储气装置具有与所述活塞式激波杆和所述气缸一一对应连通的独立气源。7.如权利要求1-5任一项所述的自适应激波杆装置，其特征在于，所述球形铰链外周面的四个铰接点形成铰接平面，所述铰接平面穿过所述球形铰链的球心且与所述活塞式激波杆的轴向垂直。8.如权利要求1-5任一项所述的自适应激波杆装置，其特征在于，所述储气装置设置有用于连接所述十字形杠杆的凸台。

技术总结
本发明公开了一种用于高超声速飞行器头部减阻的自适应激波杆装置，该自适应激波杆装置的储气装置与活塞式激波杆和气缸连通；球形铰链安装于飞行器本体的头部内侧；活塞式激波杆固连于球形铰链，并位于飞行器本体外部；在飞行器本体的头部外表面分布有四个压力传感器；十字形杠杆中心位置活动连接于储气装置，并具有四个半杠杆；球形铰链的外周面铰接有四个连杆；连杆的另一端与半杠杆铰接；飞行器本体的内侧壁固定连接有气缸；气缸的活塞杆与半杠杆铰接；控制系统控制储气装置对气缸进行充放气和对活塞式激波杆进行充气。上述自适应激波杆装置能够同时调节激波杆的长度和角度，满足高超声速飞行器头部减阻杆在不同工况下减阻效率的要求。阻效率的要求。阻效率的要求。


技术研发人员：雷娟棉 张凌云 刘婉燚 朱沛宇
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/8/24