一种消除飞行脉动压力的运载火箭整流罩气动外形的制作方法
本发明涉及一种消除飞行脉动压力的运载火箭整流罩气动外形，属于气动外形设计领域。
背景技术：
1、运载火箭在跨声速飞行时，在火箭横截面变化的位置，如货运飞船火箭/球头双锥火箭在锥-柱-肩部和锤头外形收缩段等，会出现附体紊流边层、分离流和激波振荡而产生压力脉动。脉动压力是一种随时间变化的压力，当其作用于火箭上时压力是不均匀的，很可能对某个部位产生较集中或较大的压力。研究表明：脉动压力激起的气动噪声频率覆盖了低、中、高频。火箭壳体的频率一般较低，低频段的脉动压力往往会激起结构的强烈振动，造成设备破坏。因此为了避免这类危害，在进行新一代火箭外形设计时应该尽量减小甚至消除脉动压力，特别是火箭整流罩处的脉动压力。
技术实现思路
1、本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种消除飞行脉动压力的运载火箭整流罩气动外形，采用卡门头外形，消除脉动压力。
2、本发明的技术解决方案是：
3、一种消除飞行脉动压力的运载火箭整流罩气动外形，包括：整流罩头部和身部，身部为圆柱体结构，整流罩头部与身部圆滑过渡；
4、所述整流罩头部采用脉动压力消除气动外形，所述脉动压力消除气动外形具体为：整流罩头部的前端为球头，整流罩头部的后端为旋转体，其型面曲线为改进冯卡门曲线或改进椭圆曲线；整流罩头部的后端与整流罩身部连接。
5、进一步的，所述改进冯卡门曲线为：
6、
7、其中，r是整流罩头部结束处对应圆柱段的半径值，x是曲线轴向变化量，r是变量，是当x变化时相对应的曲线竖直值，l表示整流罩头部的理论长度，n是轮廓控制系数，m是角度控制系数，是中间变量，单位为弧度。
8、进一步的，其特征在于：l≥x≥0，r≥r≥0。
9、进一步的，
10、轮廓控制系数n的取值范围为：n＞0；
11、角度控制系数m的取值范围为：0≤m≤2。
12、进一步的，所述改进椭圆曲线为：
13、
14、其中，a和b是椭圆长短轴值，r是整流罩头部结束处对应圆柱段的半径值，x是曲线轴向变化量，r是变量，是当x变化时相对应的曲线竖直值，l表示整流罩头部的理论长度。
15、进一步的，在整流罩身部前端位置处，沿周向一圈布置周向测点，进行风洞试验脉动压力的测试。
16、进一步的，所述周向一圈的周向测点中，最上方位置的周向测点相位角为0度。
17、进一步的，在整流罩身部沿轴向设置轴向测点，轴向测点呈一条直线，且轴向测点的相位角均为0度，所述最上方位置的周向测点同时也作为轴向测点。
18、进一步的，呈直线分布的轴向测点，在身部前端的轴向测点设置密度大于身部后端的轴向测点，且所述最上方位置的周向测点前后的轴向测点分布密度最大。
19、进一步的，测点脉动压力系数用百分比形式表示，其公式为：
20、
21、式中，脉动压力系数cp反映脉动压力的强弱，脉动压力均方根值prms用脉动压力时域信号计算得到，q表示来流的动压。
22、进一步的，均方根脉动压力表示火箭表面边界层内传递扰动的总能量，脉动压力均方根值prms具体计算方式如下：
23、
24、其中，plu为局部非定常压力；pls为局部非定常压力的时间平均值；t为取样时间。
25、本发明与现有技术相比的有益效果是：
26、(1)本发明开展整流罩球头半径和冯卡门曲线长度的优化，通过设置轮廓控制系数和角度控制系数，开展斜头锥外侧母线当地物面角优化，减低火箭的跨声速脉动压力环境。
27、(2)本方法在新一代火箭总体方案和几何约束的情况下，建立的卡门头整流罩外形，较低甚至消除脉动压力，经过多次缩比风洞试验的验证，以及飞行遥测数据，证明本方法形成的气动外形在大型运载火箭气动设计范围具有先进性。
28、(3)整流罩采用改进椭圆修正曲线可以使曲线x方向快速饱满，从而缩短整流罩曲线段x轴距离，x轴缩短可以提高火箭发射卫星的尺寸，可以降低整流罩曲线段的加工难度。同时因为曲线是圆滑过渡的，因此可以降低整流罩的脉动压力值，具有较高的实用性的经济价值。
技术特征：
1.一种消除飞行脉动压力的运载火箭整流罩气动外形，其特征在于包括：整流罩头部和身部，身部为圆柱体结构，整流罩头部与身部圆滑过渡；
2.根据权利要求1所述的一种消除飞行脉动压力的运载火箭整流罩气动外形，其特征在于：所述改进冯卡门曲线为：
3.根据权利要求2所述的一种消除飞行脉动压力的运载火箭整流罩气动外形，其特征在于：l≥x≥0，r≥r≥0。
4.根据权利要求2所述的一种消除飞行脉动压力的运载火箭整流罩气动外形，其特征在于：
5.根据权利要求1所述的一种消除飞行脉动压力的运载火箭整流罩气动外形，其特征在于：所述改进椭圆曲线为：
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种消除飞行脉动压力的运载火箭整流罩气动外形，其特征在于：在整流罩身部前端位置处，沿周向一圈布置周向测点，进行风洞试验脉动压力的测试。
7.根据权利要求6所述的一种消除飞行脉动压力的运载火箭整流罩气动外形，其特征在于：所述周向一圈的周向测点中，最上方位置的周向测点相位角为0度。
8.根据权利要求7所述的一种消除飞行脉动压力的运载火箭整流罩气动外形，其特征在于：在整流罩身部沿轴向设置轴向测点，轴向测点呈一条直线，且轴向测点的相位角均为0度，所述最上方位置的周向测点同时也作为轴向测点。
9.根据权利要求8所述的一种消除飞行脉动压力的运载火箭整流罩气动外形，其特征在于：呈直线分布的轴向测点，在身部前端的轴向测点设置密度大于身部后端的轴向测点，且所述最上方位置的周向测点前后的轴向测点分布密度最大。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的一种消除飞行脉动压力的运载火箭整流罩气动外形，其特征在于：测点脉动压力系数用百分比形式表示，其公式为：
11.根据权利要求10所述的一种消除飞行脉动压力的运载火箭整流罩气动外形，其特征在于：均方根脉动压力表示火箭表面边界层内传递扰动的总能量，脉动压力均方根值prms具体计算方式如下：
技术总结
一种消除飞行脉动压力的运载火箭整流罩气动外形，包括：整流罩头部和身部，身部为圆柱体结构，整流罩头部与身部圆滑过渡。所述整流罩头部采用消除脉动压力气动外形，所述消除脉动压力气动外形具体为：整流罩头部的前端为球头，整流罩头部的后端为旋转体，其型面曲线为改进冯卡门曲线或改进椭圆曲线；整流罩头部的后端与整流罩身部连接。本发明开展整流罩球头半径和冯卡门曲线长度的优化，通过设置轮廓控制系数和角度控制系数，开展斜头锥外侧母线当地物面角优化，减低火箭的跨声速脉动压力环境。本发明还提出使用改进椭圆曲线的整流罩型面曲线以达到消除飞行脉动压力的方案。
技术研发人员：薛飞,苏虹,陈立为,闫指江,胡彦辰,唐伟,高武焕,刘汉宇,刘凯,潘忠文,蒋先旺,牟宇,吕静,吴万同,张耘隆
受保护的技术使用者：北京宇航系统工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5