高超声速流动减阻结构的制作方法

本发明涉及高超声速飞行器。更具体地说，本发明涉及一种用在高超声速流动减阻结构。

背景技术：

1、高超声速飞行器在飞行过程中主要受到摩擦阻力，压差阻力和激波阻力。其中壁面摩擦阻力是影响飞行器性能的关键因素之一。摩擦阻力不仅增加了飞行器的能耗，还可能导致飞行表面温度升高，对飞行器的结构材料和热防护系统构成挑战。此外，摩擦阻力的增加还会影响飞行器的气动稳定性和操纵性，可能需要额外的控制系统和动力来维持飞行性能，进一步增加了飞行器设计和运行。因此，减阻一直是航空航天领域关注的焦点。减小阻力可以显著降低燃油消耗，提升飞行器的航程和经济性优势。基于鲨鱼皮肤和鸟类羽毛表面的仿生微结构——“v字型小肋”可通过对流动起到控制作用可以实现降低壁面摩擦阻力的目的。

2、例如现有技术中，如申请号为：201711485905.2的一种自清洁气动减阻微纳复合小肋结构，其虽然在提取鲨鱼盾鳞的减阻沟槽结构及荷叶表面自清洁乳突结构的基础上，对结构进行了简化和复合，设计了一种新的复合结构，在减阻小肋结构上表面制造超疏水突触结构，使得该复合结构同时具有气动减阻、自清洁的功能，但是该结构不能直接用于高超声速飞行器的试验领域，其原因在于：该申请中所述自清洁气动减阻复合小肋结构的特征高度不超过30微米，且其结构为平行布置的方式，可能在高超声速流场下不利于反向旋转涡对结构的诱发，难以实现减阻作用。且研究发现本专利所述减阻结构在高超声速流场中最佳减阻率对应的结构高度为200微米，超过该专利权利要求范围。

3、又如申请号为201810924539.4的一种超疏水减阻肋条结构，其虽然在传统肋条减阻的基础上增加超疏水减阻的效果，达到了增强肋条整体的减阻效果，但其所述减阻结构高度过高，根据我们的计算，当结构高于1mm左右时，在高超声速流场中会带来过大的附加阻力，导致整体减阻效果为负；又如以及申请号为202310061490.5的一种仿沙垄分级减阻双层微肋条结构，虽然较大程度减小湍流涡结构与壁面的动量交换，降低对内部流动的阻滞，减小摩擦阻力，但是该结构直接用于高超声速飞行器的试验领域仍然需要进一步的改进，且其结构布置方向与来流方向平行，可能在高超声速流场下不利于反向旋转涡对结构的诱发，难以实现减阻作用；

4、进一步地，基于“v字型小肋”的流动控制模块已应用于低速流动中，但并未关注减阻，如申请号为202211333394.3以及公开号为us20190323356a1的两个专利，虽然采用了小肋单元阵列结构，但是两个方案均关注于该结构对流动分离的控制作用，并未关注减阻效果，其中在申请号为202211333394.3的专利中提到小肋单元阵列结构高度不宜超过边界层厚度的10％，且不宜小于边界层厚度的2％，此设置范围过小，与实际的工况并不能相适配。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

2、为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种高超声速流动减阻结构，包括设置在飞行器表面的两个或两个以上独立的小肋单元，且各小肋单元均被配置为沿飞行器的展向方向均匀排列；

3、其中，各小肋单元均包括多个沿流向方向排列的仿生微结构，各仿生微结构均由在空间上呈v形布局的仿生沟槽构建得到。

4、优选的是，所述仿生微结构在空间上的展向长度λ为10.5mm，流向长度l的范围为：20mm≤l≤100mm。

5、优选的是，所述仿生沟槽的截面为垂直于偏角方向截面为30°～45°的等腰梯形；

6、其中，所述仿生沟槽波峰高度为0.01mm≤h≤1mm，偏角为0°<α<90°。

7、优选的是，相邻两个仿生沟槽之间的峰-峰距离s为：0.008mm≤s≤8m。

8、本发明至少包括以下有益效果：本发明中提出的减阻结构由多个小肋单元沿展向方向排列而成，小肋单元的仿生沟槽结构仿生于鲨鱼皮肤和鸟类羽毛的表面微尺度结构。该减阻结构与传统的被动流动控制装置如涡流发生器等相比而言，该装置由于更低的特征高度，在实现流动控制和壁面摩阻降低的同时，引起的附加阻力更小，甚至可忽略不计。本发明具有结构简单、可靠性高，无需额外能量输入等特点。

9、本发明在高超声速流动条件下几乎不引入附加阻力的同时，通过对流动控制实现飞行器壁面摩阻的降低，在高超声速飞行器上具有较大的工程应用前景。

10、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

技术特征：

1.一种高超声速流动减阻结构，其特征在于，包括设置在飞行器表面的两个或两个以上独立的小肋单元，且各小肋单元均被配置为沿飞行器的展向方向均匀排列；

2.如权利要求1所述的高超声速流动减阻结构，其特征在于，所述仿生微结构在空间上的展向长度λ为10.5mm，流向长度l的范围为：20mm≤l≤100mm。

3.如权利要求1所述的高超声速流动减阻结构，其特征在于，所述仿生沟槽的截面为垂直于偏角方向截面为30°～45°的等腰梯形；

4.如权利要求4所述的高超声速流动减阻结构，其特征在于，相邻两个仿生沟槽之间的峰-峰距离s为：3mm≤s≤6m。

技术总结
本发明公开了一种高超声速流动减阻结构，涉及高超声速飞行器技术领域包括设置在飞行器表面的两个或两个以上独立的小肋单元，且各小肋单元均被配置为沿飞行器的展向方向均匀排列；其中，各小肋单元均包括多个沿流向方向排列的仿生微结构，各仿生微结构均由在空间上呈V形布局的仿生沟槽构建得到。本发明提供一种高超声速流动减阻结构，在高超声速流动条件下几乎不引入附加阻力的同时，通过对流动控制实现飞行器壁面摩阻的降低，在高超声速飞行器上具有较大的工程应用前景。

技术研发人员：贾尧,王刚,朱轲,杨彦广,文波,谢峰,杨波,王少毅,廖梓齐
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23