基于电动推拉门原理的TBCC进气道调节机构设计方法

本发明涉及tbcc进气道技术领域，尤其是涉及一种基于电动推拉门原理的tbcc进气道调节机构设计方法。

背景技术：

现今高超声速飞行器已经成为了未来飞行器研究的主要研究方向，具有极强的战略发展意义。高超声速飞行器的飞行范围十分宽广，为使其在亚声速、夸声速、超声速下都可正常飞行，那么对其发动机的要求会更高。

但如今航空涡轮发动机支持的飞行范围是马赫数0～3，亚燃冲压发动机支持的飞行范围是马赫数2～6，超燃冲压发动机可以支持飞行马赫数大于6的飞行范围。由此可见，任何单一的吸气式发动机都不能支持高超声速飞行器全速域正常飞行，所以研究者们对组合动力开展了广泛而深入的研究。

组合式发动机包含rbcc(火箭基组合循环)发动机和tbcc(turbine-based-combined-cycle，涡轮基组合循环)发动机两大类；其中tbcc发动机是将涡轮发动机(包括涡喷、涡扇发动机)和冲压发动机(包括亚燃、超燃和双模态燃烧冲压发动机)的两种技术相结合后研制的,其整合涡轮发动机和冲压发动机在各自适用飞行范围内的优势，使其具有可常规起降、重复使用、可靠性高、低速性能好、技术风险小等优点，具有很好的工程应用前景。

进气道是tbcc发动机的重要组成部分，并且如何改进进气道的气动性能和不同飞行状态下的实用性已被认为是tbcc发动机的关键技术之一。huebnerld等人对以转动唇口方式的调节机构进行研究，该机构在助推过程中将进气道封闭，可以提高助推的可靠性和稳定性，且进气道由关闭到打开的过程能够实现内收缩比的调节，可以使过压缩的进气道实现启动而以往单块板调节进气道通风面积的方案存在调节力矩过大等问题，但其存在唇口开启过程中对飞行器会产生一定的冲击力的问题。在《一种埋入隔板内部的tbcc并联尾喷管调节机构》中调节机构使用单隔板对支气道通风口进行调节，不免存在调节力矩过大等问题。在《一种基于百叶窗原理的tbcc进气道调节机构设计方法》中由于叶片在开启时，其轴部仍存在遮挡支气道通风口并对气流产生诸多负面影响的问题；同时采用百叶窗原理的tbcc进气道调节机构时，存在支气道通风口面积不能够完全利用的问题。因此，有必要提出基于电动推拉门原理的tbcc进气道调节机构设计方法，以改善并提高tbcc发动机在整个飞行过程中的效率。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术中的缺陷，提供解决基于单板绕中心轴转动来调节支气道通风口面积的方案，所需力矩过大的问题，解决基于百叶窗原理的叶片在开启时，其轴部仍存在遮挡支气道通风口并对气流产生诸多负面影响的问题，方便控制，实现在开合过程中对支气道通风面积的连续调节、随时启停，和在闭合时的完全密闭的一种基于电动推拉门原理的tbcc进气道调节机构设计方法。

本发明包括以下步骤：

1)实现门体在运动过程中沿指定轨迹平移，在设计门体以及主进气道外壁时，设计出门体的平移运动导轨，使得通过电机启动齿轮齿条传动机构时，驱动门体沿导轨平移至指定位置；

2)在闭合时保证通风口的密闭特性；

3)在门体打开过程中实现连续调节、随时启停；

4)将整体调节机构按照主进气道内壁轮廓进行设计。

在步骤2)中，所述在闭合时保证通风口的密闭特性具体方法为：借助步骤1)中所设计出的导轨，使得在完全关闭时实现垂直于门体方向上的固定；且设计出门体与主进气道内管壁的接触面形状与主进气道内管壁形状吻合，以实现在门体沿导轨运动全过程中始终贴合在主进气道管壁上，即在门体闭合时，门体紧贴在主进气道内管壁上。

在步骤3)中，所述在门体打开过程中实现连续调节、随时启停具体方法为：基于电动推拉门原理可实现支气道通风口面积的连续调节；基于电动推拉门原理，实现在门体沿导轨运动全过程中，位移、速度、加速度可实时调节，以实现门体的连续调节、随时启停。

在步骤4)中，所述将整体调节机构按照主进气道内壁轮廓进行设计具体方法为：对于门体与主进气道内管壁相接触的面，设计其形状与主进气道内管壁形状吻合，以提高门体运动过程中的密闭特性；对于门体不与主进气道内管壁相接触的面，设计其形状与主进气道内管壁形状相似；同时在满足强度和刚度要求的情况下，尽量薄地设计门体厚度尺寸，以减小门体对主进气道内部气流所产生的负面影响。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明将原本“转动门”方案优化为“推拉门”方案，使得门体由原先的绕中心轴转动，优化转变为沿导轨平移，改变了驱动件的施力方向，提高了调节机构的运动性能与效率。

2、本发明实现对支气道通风口面积的连续调节、随时启停和闭合时的密闭特性。

3、本发明将门体与主进气道内管壁相接触的面，设计其形状与主进气道内管壁形状吻合；对于门体不与主进气道内管壁相接触的面，设计其形状与主进气道内管壁形状相似；同时在满足强度和刚度要求的情况下，尽量薄地设计门体厚度尺寸，减小门体对主进气道内部气流所产生的负面影响，同时提高门体运动过程中的密闭特性。

4、本发明的设计思路和功能原理适用于圆柱管道、棱柱管道等沿管道轴向定几何的主进气道中，且与通风口形状无关，即在满足主进气道管壁形状的条件下，若支气道通风口为不规则形状，该方案仍然有效。

附图说明

图1为基于电动推拉门原理的tbcc进气道调节机构(半开时)的示意图，外侧视角(图1上)和内侧视角(图1下)。

图2为基于电动推拉门原理的tbcc进气道调节机构打开时，在平行于支气道轴向的示意图，内侧视角(图2上)和外侧视角(图2下)。

图3为基于电动推拉门原理的tbcc进气道调节机构关闭时，在平行于支气道轴向的示意图，内侧视角(图3上)和外侧视角(图3下)。

图4为基于电动推拉门原理的tbcc进气道调节机构的半开时爆炸视图(图4)。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

本发明提供了基于电动推拉门原理的tbcc进气道调节机构，为使本发明的目的，设计方案及效果更加清楚，明确，将对本发明附图进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体方案内容仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。

本发明包括以下步骤：

1)实现门体在运动过程中沿指定轨迹平移，在设计门体以及主进气道外壁时，设计出门体的平移运动导轨，使得通过电机启动齿轮齿条传动机构时，驱动门体沿导轨平移至指定位置；

2)在闭合时保证通风口的密闭特性；所述在闭合时保证通风口的密闭特性具体方法为：借助步骤1)中所设计出的导轨，使得在完全关闭时实现垂直于门体方向上的固定；且设计出门体与主进气道内管壁的接触面形状与主进气道内管壁形状吻合，以实现在门体沿导轨运动全过程中始终贴合在主进气道管壁上，即在门体闭合时，门体紧贴在主进气道内管壁上。

3)在门体打开过程中实现连续调节、随时启停；所述在门体打开过程中实现连续调节、随时启停具体方法为：基于电动推拉门原理可实现支气道通风口面积的连续调节；基于电动推拉门原理，实现在门体沿导轨运动全过程中，位移、速度、加速度可实时调节，以实现门体的连续调节、随时启停。

4)将整体调节机构按照主进气道内壁轮廓进行设计。所述将整体调节机构按照主进气道内壁轮廓进行设计具体方法为：对于门体与主进气道内管壁相接触的面，设计其形状与主进气道内管壁形状吻合，以提高门体运动过程中的密闭特性；对于门体不与主进气道内管壁相接触的面，设计其形状与主进气道内管壁形状相似；同时在满足强度和刚度要求的情况下，尽量薄地设计门体厚度尺寸，以减小门体对主进气道内部气流所产生的负面影响。

本发明采用电动推拉门原理，本机构通过电机驱动传动轴5，从而带动齿轮齿条传动机构，进而驱动门体沿导轨平移至指定位置。所以本发明将门体由原先的绕中心轴转动，优化转变为沿导轨平移，改变驱动件的施力方向，如图1所示，图1上为基于电动推拉门原理的tbcc进气道调节机构半开时外侧视角的示意图；图1下为基于电动推拉门原理的tbcc进气道调节机构半开时内侧视角的示意图。

如图2所示，图2上为基于电动推拉门原理的tbcc进气道调节机构打开时，在平行于支气道轴向的内侧视角示意图，图2下为外侧视角示意图。

如图3所示，图3上为基于电动推拉门原理的tbcc进气道调节机构关闭时，在平行于支气道轴向的内侧视角示意图，图3下为外侧视角示意图。

如图4所示，图4为基于电动推拉门原理的tbcc进气道调节机构半开时的爆炸视图。本机构由门体2、齿条3、传动轴5、齿轮6、外罩7和导轨8组成。图4中局部视图ⅰ和局部视图ⅱ对导轨进行了展示，图4中还包含主进气道1和支气道4。

调节机构的运动步骤为：在闭合时，由电机驱动传动轴5转动，从而使齿轮6转动带动齿条3平动，由于齿条3固定于门体2上，进而齿轮齿条机构带动门体2沿导轨8平动，实现支气道通风口的开启。在开启时运动原理相同，即可实现支气道通风口的连续调节、随时启停。

由图2和3可见，本发明为实现调节机构与管道形状更加契合以保证其密闭特性，所以将门体2与主进气道1内管壁相接触的面，设计其形状与主进气道1内管壁形状吻合；对于门体2不与主进气道1内管壁相接触的面，设计其形状与主进气道1内管壁形状相似；同时在满足强度和刚度要求的情况下，尽量薄地设计门体2厚度尺寸。

本发明设计的基于电动推拉门原理的tbcc进气道调节机构达到了开启时通风口面积无遮挡的效果。该调节机构通过电机启动齿轮齿条传动机构，从而驱动门体沿导轨平移至指定位置，实现通风口的开合。该机构解决了基于单板绕中心轴转动来调节支气道通风口面积的方案，所需力矩过大的问题；以及解决了基于百叶窗原理的叶片在开启时，其轴部仍存在遮挡支气道通风口并对气流产生诸多负面影响的问题。其方便控制，实现在开合过程中对支气道通风面积的连续调节、随时启停，和在闭合时的完全密闭。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。