一种用于超声速火箭撬的减阻稳定装置及设计方法

1.本发明涉及机械设计技术领域，具体涉及一种用于超声速火箭撬的减阻稳定装置及设计方法。


背景技术：

2.地面高速助推为飞行器提供高起飞速度对于提高未来临近空间和空间往返飞行器效费比、实现可重复使用的空间往返具有重要意义。
3.地面高速助推装置研制中存在着气动特性预示不明确，控制策略不得当，对运动趋势难以判定等问题。针对在两级分离过程中存在的复杂流场，其流动从缝隙流(亚声速/超声速阻塞流)到通道流(多波系超声速流)的转化过程中激波结构快速变化，激波与激波、激波与边界层、激波与旋涡等强干扰因素，直接影响飞行器分离时的气动特性。
4.因此，有必要在火箭撬助推级和载荷之间设计一种减阻稳定装置，优化载荷在分离时的气动特性，降低其阻力，增强稳定性。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种用于超声速火箭撬的减阻稳定装置及设计方法，能够优化载荷在分离时的气动特性，降低其阻力，增强稳定性。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种用于超声速火箭撬的减阻稳定装置，该装置安装于火箭撬的助推级和载荷之间，包括减阻板、支撑杆以及滑块；
7.减阻板外形与助推级表面相同，减阻板闭合时与助推级合为一体，减阻板打开时，其上部与载荷外形匹配。
8.滑块为主动活动部件，带动支撑杆打开减阻板。
9.支撑杆用来连接滑块与减阻板，带动减阻板打开闭合。
10.进一步地，步滑块由液压或者气缸驱动。
11.本发明还提供了一种用于超声速火箭撬的减阻稳定装置设计方法，采用如下步骤：
12.步骤(1)基于火箭撬助推级外形及载荷与助推级相对位置，确定减阻稳定装置组成部件及布局方案。
13.步骤(2)采用计算流体力学cfd对超声速情况下的火箭撬工作过程进行模拟，确定减阻稳定装置的有效性。
14.进一步地，步步骤(1)中减阻稳定装置该装置安装于火箭撬的助推级和载荷之间，包括减阻板、支撑杆以及滑块；
15.减阻板外形与助推级表面相同，减阻板闭合时与助推级合为一体，减阻板打开时，其上部与载荷外形匹配；
16.滑块为主动活动部件，带动支撑杆打开减阻板；
17.支撑杆用来连接滑块与减阻板，带动减阻板打开闭合。
18.进一步地，步步骤(1)中依据火箭撬助推级设计减阻板与其他机构尺寸，其中，减阻板在闭合情况下整个装置与助推级合为一体，不影响助推级气动外形，展开时由动力滑块带动整个装置。
19.进一步地，步骤(2)中建立的计算流体力学仿真结果中，在火箭撬以1.6ma的速度运动时，通过减阻稳定装置的展开降低载荷受到的阻力，并改善其分离时刻的稳定性。
20.有益效果：
21.1、一种用于超声速火箭撬的减阻稳定装置，在火箭撬助推级和载荷之间设计一种减阻稳定装置，减阻稳定装置主要由减阻板、滑块、支杆组成，能够优化载荷在分离时的气动特性，降低其阻力，增强稳定性。
22.2、本发明在分析火箭撬载荷与助推级分离特性的基础上，以激波在载荷与助推级之间的反射特点为依据，提出了一种用于超声速火箭撬的减阻稳定方法，并建立计算流体力学网格模型进行仿真模拟，使火箭撬运行时产生的激波由减阻板承受与分散，保证载荷分离过程的安全性。
23.3、本发明针对超声速火箭撬在运行时载荷与助推火箭之间激波结构复杂，载荷稳定性差，阻力大的特点，提出了一种超声速火箭撬的减阻稳定方法，根据火箭撬外形构建一种活动机构，可以在火箭撬超声速运行时展开，降低火箭撬的阻力，保证载荷分离过程中的稳定性。
附图说明
24.图1为本发明一种用于超声速火箭撬的减阻稳定装置设计方法流程图；
25.图2为减阻稳定装置关闭状态示意图；
26.图3为减阻稳定装置打开状态示意图；
27.图4为减阻装置结构示意图；
28.图5为减阻稳定装置闭合时载荷腹部压强分布曲线；
29.图6为减阻稳定装置打开时载荷腹部压强分布曲线。
具体实施方式
30.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
31.本发明提供了一种用于超声速火箭撬的减阻稳定装置，该装置安装于火箭撬的助推级和载荷之间，包括减阻板、支撑杆以及滑块。
32.减阻板外形与助推级表面相同，减阻板闭合时与助推级合为一体，减阻板打开时，其上部与载荷外形匹配。
33.滑块为主动活动部件，带动支撑杆打开减阻板；本发明实施例中滑块由液压或者气缸驱动。
34.支撑杆用来连接滑块与减阻板，带动减阻板打开闭合。
35.图2为减阻稳定装置关闭状态示意图；图3为减阻稳定装置打开状态示意图；图4为减阻装置结构示意图。
36.一种用于超声速火箭撬的减阻稳定装置设计方法，流程如图1所示，采用如下步骤：
37.步骤(1)基于火箭撬助推级外形及载荷与助推级相对位置，确定减阻稳定装置组成部件及布局方案；步骤(1)中依据火箭撬助推级设计减阻板与其他机构尺寸，其中，减阻板在闭合情况下整个装置与助推级合为一体，不影响助推级气动外形，展开时由动力滑块带动整个装置。
38.步骤(2)采用计算流体力学cfd对超声速情况下的火箭撬工作过程进行模拟，确定减阻稳定装置的有效性。
39.步骤(2)中建立超声速火箭撬模型对减阻稳定系统工作过程进行模拟，依据载荷受到的阻力大小与腹部压强分布判断减阻稳定效果是否理想，载荷阻力减少越大，载荷腹部压强分布约平衡，减阻稳定效果越好。步骤(2)中建立的计算流体力学仿真结果中，在火箭撬以1.6ma的速度运动时，通过减阻稳定装置的展开降低载荷受到的阻力，并改善其分离时刻的稳定性。
40.步骤(1)中减阻稳定装置如上，该装置安装于火箭撬的助推级和载荷之间，包括减阻板、支撑杆以及滑块；减阻板外形与助推级表面相同，减阻板闭合时与助推级合为一体，减阻板打开时，其上部与载荷外形匹配；滑块为主动活动部件，带动支撑杆打开减阻板；支撑杆用来连接滑块与减阻板，带动减阻板打开闭合。
41.本例中火箭撬在1.6ma的速度下，其载荷的所受阻力没有展开减阻板时为10800n，腹部由于激波反射存在前后两个压强峰值；展开减阻板后，载荷所受阻力为8600n，腹部的压强峰值也只剩一个，减阻稳定效果理想。图5为减阻稳定装置闭合时载荷腹部压强分布曲线；图6为减阻稳定装置打开时载荷腹部压强分布曲线。
42.综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种用于超声速火箭撬的减阻稳定装置，其特征在于，该装置安装于火箭撬的助推级和载荷之间，包括减阻板、支撑杆以及滑块；所述减阻板外形与助推级表面相同，减阻板闭合时与助推级合为一体，减阻板打开时，其上部与载荷外形匹配；所述滑块为主动活动部件，带动支撑杆打开减阻板；所述支撑杆用来连接滑块与减阻板，带动减阻板打开闭合。2.如权利要求1所述的一种用于超声速火箭撬的减阻稳定装置，其特征在于，所述滑块由液压或者气缸驱动。3.一种用于超声速火箭撬的减阻稳定装置设计方法，其特征在于，采用如下步骤：步骤(1)基于火箭撬助推级外形及载荷与助推级相对位置，确定减阻稳定装置组成部件及布局方案；步骤(2)采用计算流体力学cfd对超声速情况下的火箭撬工作过程进行模拟，确定减阻稳定装置的有效性。4.如权利要求3所述的一种超声速减阻稳定装置设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中减阻稳定装置该装置安装于火箭撬的助推级和载荷之间，包括减阻板、支撑杆以及滑块；所述减阻板外形与助推级表面相同，减阻板闭合时与助推级合为一体，减阻板打开时，其上部与载荷外形匹配；所述滑块为主动活动部件，带动支撑杆打开减阻板；所述支撑杆用来连接滑块与减阻板，带动减阻板打开闭合。5.如权利要求3或4所述的一种超声速减阻稳定装置设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中依据火箭撬助推级设计减阻板与其他机构尺寸，其中，减阻板在闭合情况下整个装置与助推级合为一体，不影响助推级气动外形，展开时由动力滑块带动整个装置。6.如权利要求3或4所述的一种超声速减阻稳定装置设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中建立的计算流体力学仿真结果中，在火箭撬以1.6ma的速度运动时，通过减阻稳定装置的展开降低载荷受到的阻力，并改善其分离时刻的稳定性。

技术总结
本发明公开了一种用于超声速火箭撬的减阻稳定装置及设计方法，能够优化载荷在分离时的气动特性，降低其阻力，增强稳定性。本发明的技术方案为：一种用于超声速火箭撬的减阻稳定装置，该装置安装于火箭撬的助推级和载荷之间，包括减阻板、支撑杆以及滑块；减阻板外形与助推级表面相同，减阻板闭合时与助推级合为一体，减阻板打开时，其上部与载荷外形匹配。滑块为主动活动部件，带动支撑杆打开减阻板。本发明还提出了一种用于超声速火箭撬的减阻稳定方法，并建立计算流体力学网格模型进行仿真模拟，使火箭撬运行时产生的激波由减阻板承受与分散，保证载荷分离过程的安全性。保证载荷分离过程的安全性。保证载荷分离过程的安全性。


技术研发人员：闫沛泽 姜毅 牛钰森 孙瑞阳
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2022.10.10
技术公布日：2023/1/23