防热环对空气舵舵轴流动及气动加热影响

2022-08-11刘宇飞刘国仟

气体物理 2022年4期

关键词：流态热流缝隙

聂亮，李宇，刘宇飞，袁野，刘国仟，周禹

(中国运载火箭技术研究院空间物理重点实验室，北京 100076)

引言

对于高速飞行器，地面试验和数值计算均表明舵轴是受热最严酷的部位之一[1-3]，严重时会使舵轴超温或者烧蚀(见图1);同时作为重要的传力部件还要承受较大的力矩载荷，这使得舵轴的耐温设计要求极为苛刻[4]。

图1 试验后的舵轴形貌Fig.1 Morphology of rudder after experiment

空气舵及其缝隙的热环境十分复杂[5]，早期受制于研究手段，国内外相关文献较少[6-8];近些年来随着计算仿真水平和试验能力的进步，关于空气舵舵缝及舵轴的研究[2-3，9]才逐渐增多并成为热点。

为减小空气舵舵轴的防隔热设计压力，可从提高空气舵舵轴材料性能、增大舵轴尺寸或采用主动防热手段[10-11]考虑，但这种方法往往受诸多因素制约，总体方案难以满足；也可以从优化舵轴热环境考虑，该方法思路是通过控制空气舵缝隙内流动，避免舵轴直接和来流“撞击”，从而降低舵轴热环境。第2种思路最典型的做法就是在空气舵前增加整流帽[12]，其能够在特定飞行状态下明显减小舵轴热环境，但由于整流帽和空气舵之间距离较远，当空气舵摆动舵偏较大或者飞行攻角较大时，其对流动的阻挡作用减弱，舵轴热流减小则相对不明显。

基于此，为减小舵轴的防热压力，本文受整流帽对舵轴保护方式的启发，从流动机理分析，通过在舵轴周围近距离设计防热环，“贴身”保护舵轴，并在空气舵相应转动位置配合设计转动沟槽(见图2)，将舵轴的高热流区转移到防热环，大幅减小舵轴的气动热载荷。从而实现舵轴承力不承热，防热环承热不承力，有效实现舵轴承力功能和防热环承热功能的分离。本文从仿真分析和试验验证两方面对防热环降低舵轴热流效果的有效性进行介绍。

图2 舵轴防热环结构示意Fig.2 Structure of rudder thermal-protection ring

1 计算方法和状态

1.1 计算方法

本文涉及的气动热环境采用有限体积法求解积分形式的三维可压N-S方程[13-14]，气体模型为完全气体。控制方程为

1.2 计算状态

计算外形为圆锥-“×”型全动空气舵外形，空气舵与舱体之间的缝隙高度为3 mm。计算状态如表1所示，来流气体为空气，壁温为300 K等温壁。

表1 计算状态Table 1 Calculation conditions

2 防热环的流动及热环境规律

全动空气舵及其干扰区热流分布特点如图1和图3所示，可以看出，空气舵区域热流分布复杂，其中舵轴是空气舵气动加热最严酷的区域。因此，对于舵轴来说，防热设计压力巨大。

图3 空气舵热流密度分布示意图Fig.3 Heat-flux distribution of rudder

根据上文思路，在舵轴周围设置一圈防热环，开展了不同因素下防热环方案的气动热评估。

2.1 有无防热环的影响规律

2.1.1 舵轴热流的影响

图4给出了有无防热环情况下舵轴和防热环热流的对比，可以看出，增加防热环后舵轴热流明显降低，层流状态的舵轴干扰区热流峰值由不带防热环的约1.8 MW/m2降至带防热环的约0.2 MW/m2;湍流状态的舵轴干扰区热流峰值由不带防热环的约2.4 MW/m2降至带防热环的约0.8 MW/m2;原舵轴区域的高热流前移至防热环，缝隙内防热环的热流和原舵轴热流接近但略低。

空气舵与舱体间缝隙内外防热环热流差异的分析如图5所示，可以看出，缝隙外防热环由于前方空气直接“撞击”在防热环上，形成高热流区;而缝隙内防热环由于前方受舵缝隙的影响，进入缝隙内的气体速度和温度都相对较低，因而热流相对缝隙外防热环要低。

(a) Case with thermal-protection ring,laminar

2.1.2 缝隙内流动的影响

增加防热环后，受防热环的阻挡作用，舵轴前缝隙内的速度和压力均有一定程度的降低，从而减小舵轴转动缝隙热密封的压力。

以工况3为例，将图6中舵轴及防热环所在位置沿舵对称截面方向截取舵轴缝隙内的流动情况进行分析，不带防热环舵轴转动缝隙内的速度为250～300 m/s(见图7(a))，增加防热环后舵轴转动缝隙内的速度降为150～200 m/s(见图7(b));不带防热环舵轴转动缝隙内的气体压力约为 30 kPa，增加防热环后舵轴转动缝隙内的压力降为约10 kPa(见图8)。舵轴转动缝隙内热流的降低、流动速度的降低及气体压力的降低，能够有效增加动热密封方案设计的可靠性。

图6 舵轴及防热环位置示意Fig.6 Positions of rudder and thermal-protection ring

(a) Case without thermal-protection ring

2.2 舵偏影响规律

图9给出了不带防热环情况下不同舵偏舵轴干扰区热流的分布对比情况，可以看出，对于舵轴干扰区，随着舵偏的变化，舵轴干扰区的高热流部位位置也随之变化;负舵偏时，舵轴高热流区域位于舵轴靠背风大面积一侧，正舵偏时，舵轴高热流区域向舵轴靠迎风大面积一侧移动，舵轴干扰区热流峰值随着舵往正向偏转而增加。

(a) Case of -5° rudder deflection

图10给出了带防热环情况下防热环及舵轴区域不同舵偏的热流对比，可以看出，带防热环后舵轴高热流区域往缝隙内防热环位置处移动，而舵轴受防热环的遮挡热流明显下降;和不带防热环情况类似，负舵偏时防热环热流相对较小，并且在负舵偏情况下空气舵对缝隙外的防热环前方流动形成一定的阻挡作用，可以有效降低缝隙外防热环的热流。

通过不同舵偏情况下带防热环和不带防热环舵轴热流结果的对比可以得出，防热环舵轴降热方案对不同舵偏的适应效果均较好。

(a) Case of -5° rudder deflection

2.3 流态影响规律

图11给出了不同流态情况下舵轴及防热环附近区域的热流分布对比，可以看出，有防热环情况下，舵轴热流较低，层流流态下舵轴热流大于湍流流态;对于防热环，缝隙内的防热环热流湍流流态明显低于层流流态，而缝隙外的防热环热流差别相对较小，湍流热流略高于层流热流，具体量值规律可能随状态的变化略有差别。缝隙内不同流态防热环热流的差别分析可参见文献[15]中的相关分析。