乘波構型

乘波構型也叫乘波體，乘波構型是一種適宜高超音速飛行的外形，其所有的前緣都具有附體激波。

乘波構型飛行時其前緣平面與激波的上表面重合，就象騎在激波的波面上，依靠激波的壓力產生升力，所以叫乘波構型(Waverider)。

基本介紹

• 中文名：乘波構型
• 外文名：Waverider
• 別稱：乘波體
• 特點：低阻速度快、高升阻比、突防力強
• 外形：較複雜的扁平楔形或者錐型
• 提出時間：1959年，Nonweiler提出

介紹

高超音速飛行器具有速度快、高度高、巡航距離遠、突防能力強等特點，所以必須採用一種高升阻比和強機動性的氣動外形。適合高超聲速飛行器的外形有升力體、翼身融合體、軸對稱旋成體、乘波體等。

乘波構型高超音速飛行器

所謂乘波構型 (Waverider)，是指一種外形是流線形， 其所有的前緣都具有附體激波的超音速或高超音速的飛行器。通俗的講，乘波構型飛行器飛行時其前緣平面與激波的上表面重合，就象騎在激波的波面上，依靠激波的壓力產生升力，所以叫乘波構型(Waverider)。如果把大氣層邊緣看作水面，乘波體飛行時就像是在水面上打水漂。乘波體飛行器不用機翼產生升力，而是靠壓縮升力和激波升力飛行，像水面由快艇拖帶的滑水板一樣產生壓縮升力。超音速飛行形成的激波不僅是阻力的源泉，也是飛行器“踩”在激波的鋒面背後“衝浪”的載體。

乘波體的概念是在1959年由諾威勒（Nonweiler）提出的，諾威勒首先提出根據已知流場構造三維高超聲速飛行器的想法，用平面斜激波形成流場構造出一種具有“Λ”型橫截面的高超聲速飛行器。美國馬里蘭大學Rasmussen等人發表了中錐形流動生成乘波體的論文。值得一提的是，與Nonweiler的二維“Λ”型設計相比，由圓錐流場生成的乘波體容積率大得多，且具有較高的升阻比。1989年，由NASA贊助，在馬里蘭大學舉行了乘波體國際會議，會上Sobieczky等人提出了用相切錐生成乘波體的方法。其特點是通過使用多個錐體來設計激波模式，這使得人們可以根據飛行器的需要來設計複雜構型，從而使乘波體飛行器具有向實用性發展的可能。

種類

乘波構型的設計與常規的由外形決定流場再去求解的方法相反，而是先有流場， 然後再推導出外形， 其流場是用已知的非粘性流方程的精確解來決定的。根據乘波體的生成方法及源流場的不同，可將乘波體分成不同的種類。

楔形流乘波體

這種乘波體的源流場是二維平面楔繞流，生成具有“∧”橫截面形狀和三角翼平面的構型。超聲速氣流流過楔形體時，在下方產生一道從頂點開始的斜激波，穿越激波，流動參數突躍，速度減小，壓力增大，同樣對於楔形流乘波體，超聲速氣流在下方形成一個激波面，激波面後的氣流形成高壓區，由此導致高升力。

錐形流乘波體

生成這種乘波體的源流場是繞圓錐的流動，當超聲速氣流流經一個圓錐時，產生一道圓錐形激波，在錐形流場內選擇流面作為下表面，在下表面與緊貼前緣的圓錐激波面內是高壓的超聲速氣流。

傾斜錐

傾斜錐或者橢圓錐繞流的乘波體，這類乘波體的源流場不是軸對稱流場，而是採用非軸對稱流場來生成乘波體，如繞斜錐流動或者橢圓錐流動。這類流動的解析解與數值解有所不同，通常包含對基本軸對稱圓錐流場的擾動分析。與圓錐繞流的乘波體生成方法一樣，先選擇自由流流面，自由流面與斜錐流場的激波面相交，形成封閉的氣體空間，上表面就是自由流面，下表面就是錐體流場的彎曲流面。

錐流乘波體

選擇楔錐組合體的繞流是為了使乘波體既有平面楔形流乘波體的特性，也具有錐形流乘波體的特徵。選定楔錐組合體的寬長比和錐體錐角後，通過求解三維Euler方程得到其基本流場，乘波體外形可由組合體與激波面之間的區域內任何流面生成。對於前體設計，按照進氣道和燃燒室的需要來確定前緣線在底面的投影線，沿投影線向上游追蹤流線得到乘波體下表面，這樣得到的乘波體下表面流動的中心段是楔形流，便於為發動機提供均勻來流。

相切錐乘波體

將三維超聲速流場中的任意一點，在二階精度範圍內套用一個軸對稱流運動方程來逼近，這個軸對稱流的軸線位於通過該點流線的相切平面內。這樣當地的三維流動就能用局部的二維軸對稱流動來描述。在由相切錐體定義的平面內，非軸對稱激波後的流動段處理為錐形流的，在出口面內，沿激波曲線使用一系列平面來定義流場，在每個相交平面激波角為常數，以保證在展向上是連續表面，由激波角和當地曲率半徑來確定每個平面的錐形流頂點。

定常變楔角法

在二維楔形流中，使用確定翼平面和上表面曲率的二維冪指數函式方程生成的一種乘波構型，就是定楔角法生成的乘波體。冪指數在0～1之間變化，楔角是常數。通過調整冪指數函式的參數如比例係數、長度及楔角就可以生成各種乘波體外形。將上述方法擴展到非平面激波時，稱為變楔角方法，翼平面和上表面的生成與定常楔形角方法相同，增加了第三個冪函式以確定下表面的彎曲。通過調節6個變數就可以生成各種乘波構型。

星形體

這是另一種類型的乘波體，先通過求解二維Euler方程得到指數率型面的基本流場，在流場中生成類似“∧”形乘波體的構型，然後疊加多個這種乘波體並在前緣處相接，這樣就得到星形體，其特點是波阻較小，代價是較大的濕潤面積導致較大的表面摩阻。

氣動特性

乘波構型外形有三個顯著的氣動特性：低阻、高升力和大的升阻比，特別是對於高超音速飛行器。常規外形在超音速流中前緣大都是脫體激波，激波前後存在的壓差使得外形上的波阻非常大，而乘波體的上表面與自由流面同面，所以不形成大的壓差阻力，而下表面在設計馬赫數下受到一個與常規外形一樣的高壓，這個流動的高壓不會繞過前緣泄露到上表面，這樣上下表面的壓差不會像常規外形一樣相互交流而降低下表面的壓力，使得升力降低。乘波體外形則因無此損失而得到大的升力，常規外形要得到同樣大的升力，必須使用更大的攻角。同時， 乘波體的下表面常常設計得較平，相對常規軸對稱外形，平底截面外形其上下壓差要大得多，所以升力也大得多。

套用研究

有關因素

對於實際使用， 乘波構型外形設計還遇到一些具體問題。一是有效容積與一定的內部組件安裝問題與理想的乘波構型外形需要有折衷的設計。二是飛彈導引頭的約束問題， 對於非圓柱彈身， 飛彈一般設計為在一定特殊平面內機動飛行， 它們就不能使用軸對稱導引系統， 而應設計為傾斜—轉彎機動控制和非軸對稱導引系統， 或者採取其它措施來克服導引頭的跟蹤場的約束對前彈身外形的限制。三是粘性對飛彈設計的影響。乘波構型外形的設計是用無粘分析計算的，但在實際飛行中， 乘波構型將受到粘性的重要影響。其中主要的是摩阻的影響， 因為用無粘分析最佳化的外形多半具有較大的表面面積， 會引起較大的摩擦阻力， 所以此時必須計及表面摩阻， 而要減小摩阻則必然減小升阻比。

外形的優勢

1) 乘波體外形的最大優點是低阻、高升力、高升阻比， 其上表面沒有流場干擾，沒有流線偏轉，激波限制在外形的前緣， 使得在可壓區中下表面上的高壓同向上傾斜的外形一起組合， 獲得整個外形上的推力分量。

2) 乘波體外形在偏離設計條件下， 仍能保持有利的氣動性能。

3) 乘波體外形更適合使用噴氣發動機或衝壓發動機。乘波體下表面是一個高壓區，是發動機進氣口的極佳位置，並且發動機的下表面還可以與乘波體一起融身設計，使其不損失進氣口阻力。

4) 乘波體外形因為是用已知的可以得到精確解的流場設計而成， 所以更易於進行最佳化設計以尋求最優構型。考慮粘性的最優乘波體的研究也已取得了較大進展。

發展和套用

乘波構型外形優越的氣動特性已成為現代飛彈， 特別是高速遠程巡航飛彈和航天飛行器的候選外形。

研究方向

21世紀以前，國內外研究者絕大部分工作都集中在用流線追蹤法或參數設計法對乘波前體進行無粘與有粘的設計和最佳化，由單獨考慮升阻比性能，逐步過渡到升阻比、容積率和熱防護的多目標最佳化，使得乘波飛行器在實用化道路上邁上了新台階。進入21世紀後，由於乘波構型機身設計理論漸趨成熟和完善，研究者把更多注意力集中到高超聲速乘波飛行器機身/發動機一體化關鍵技術設計上來，其中包括前體/進氣道一體化設計技術、燃燒室構型最佳化技術以及尾噴管/後體一體化設計技術。