內埋武器艙動態流動特性及降噪控制方法研究

甕 哲，王 霄，劉 超，富佳偉，陳同銀，趙卓林，毛 磊

(中國航空工業集團公司 沈陽飛機設計研究所，沈陽 110035)

0 引 言

為滿足未來戰機對隱身性能的設計需求，武器往往采用內埋裝載的形式。艙門打開狀態下，武器艙暴露在空氣中形成了腔體結構，飛機在大表速飛行時，腔體結構的復雜非定常流動誘導出強烈的氣動噪聲，危及飛機的結構安全，縮短飛行壽命。

雖然空腔流動的研究已有六十多年的歷史，但空腔流動的機理以及流動控制方法仍然是科學界和工業界的關注焦點。Lawson 等[1]對空腔流動的研究進行了較為系統的總結。Rossiter[2]總結出了空腔流動的分類并提出了開式空腔內壓力振蕩模態的半經驗公式，指出空腔流動各模態無量綱頻率主要受到來流馬赫數、空腔長深比影響。Heller 等[3]考慮了Ma＞1.4的高速情況下空腔內部溫度和馬赫數的不同，進而對Rossiter 提出的公式進行了修正。Casper 等[4]研究了在干凈空腔基礎上進行幾何變化的影響。

在深入理解空腔流動機理的基礎上，對空腔流動進行控制，從而改善腔內流動環境，也是目前重要的研究課題。從是否需要外界能量輸入的角度可以將流動控制策略分為被動控制和主動控制兩類[5]。主動控制一般通過需要消耗能量的振動擾流片、吹吸氣、射流等方式，結合自動控制律來改變流動，增加了能量的消耗以及控制系統設計的復雜性。被動控制裝置一般對空腔進行幾何修形或加裝固定的裝置，在重量和系統復雜性上優于主動控制裝置，但對于不同飛行工況的適應性較弱，無法在所有狀態下都達到最佳的控制效果。Lawson 等[1]和Cattafesta 等[5]分別對被動控制和主動控制研究進行了總結。大部分的流動控制都著眼于空腔前緣位置，如將前緣改為鋸齒形[6]、設置擋塊或橫棒[7-8]等被動控制措施，以及前緣吹氣[9-10]和釋放等離子體[11-12]等主動控制措施。楊黨國[13-14]和吳繼飛[15]等研究了壁面修形、前緣直板/鋸齒和吹氣控制、底面泄壓等多種控制措施的效果，研究內容較為全面。

針對隱身戰機復雜外形內埋武器艙方面的研究成果，公開發表得較少。Shaw[16]等在F-111 武器艙模型上設置矩形擾流板，對寬頻噪聲有一定的抑制作用。Welterlen[17]對F-22 內埋武器艙開展了風洞試驗和數值仿真研究，并且與飛行測試結果進行了對比。Panikar[18]和Chandrasekhar[19]等在F-35 戰斗機武器艙模型上對前緣吹氣、多孔后壁泄壓、流向隔板三個方案進行了風洞試驗對比，控制效果受到來流馬赫數、吹氣量等多種因素的影響。

總體來看，前人的大量研究總結出了很多具有指導意義的經驗，但外形主要集中于簡單空腔，復雜外形的研究相對較少。而對于真實的隱身戰機而言，飛機機體外形、進氣道的溢流影響、武器艙門的開度、內埋武器及懸掛裝置等均會改變武器艙內的流場結構。國內外學者針對復雜來流條件下內埋武器艙的研究有待進一步深入。

本文以復雜來流條件下典型內埋武器艙為研究對象，通過數值仿真以及風洞試驗兩種手段對內埋武器艙動態流動特性以及不同擾流裝置的降噪效果開展了系統性的研究。

1 武器艙模型

1.1 幾何模型

圖1 給出了內埋武器艙的剖面示意圖，武器艙為不規則腔體結構，深度從淺到深逐漸過渡，長寬比為4.5。艙內還包含各種管路、線束等設備。仿真模型忽略飛機的尾翼，考慮飛機前體、進氣道、艙門以及艙內復雜形狀。試驗模型為縮比模型，武器艙前為飛機真實前體外形，包含進氣道唇口。武器艙后為簡化的飛機后體，便于與風洞支撐裝置對接。武器艙門保留真實的前后緣鋸齒角度，厚度適當加厚。武器艙內包含武器及掛架，艙前后緣的形狀為與艙門契合的鋸齒形狀。

圖1 武器艙剖面幾何與試驗測點位置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the weapons bay profile and the measurement point layout

1.2 數值仿真及數據處理方法

采用DES 類RANS/LES 混合方法開展非定常數值模擬，獲取流場動態特征，進而求得監測點動載荷。設置統一時間步長為5×10-5s，最高截止頻率10 kHz，總計算時間0.409 6 s，頻譜分辨率約為2 Hz。

提取監測點的脈動壓力時間序列，開展時頻域分析。總聲壓級OASPL 處理方法為：

1.3 試驗數據采集及數據轉換方法

試驗采用美國Kulite 公司壓阻式脈動壓力傳感器測量武器艙內各測點脈動壓力，量程為10 Psi，固有頻率為200 kHz。試驗采樣頻率為30 kHz，階梯采樣時間約為3 s。

風洞試驗數據的處理方法與數值仿真數據處理方法一致。風洞試驗模型為縮比模型，在向1∶1 模型轉換時，以脈動壓力均方根系數和斯特勞哈爾數（St）為無量綱參數。1∶1 模型的總聲壓級和功率譜密度與風洞試驗模型的總聲壓級和功率譜密度轉換關系如下：

2 內埋武器艙動態流動特性

圖2 給出了數值仿真獲得的基本構型不同時刻武器艙中截面瞬時馬赫數分布云圖，馬赫數分布范圍0～1.5。從流場結構上來看，武器艙內流動類似于過渡式空腔，剪切層沒有足夠的能量和動量跨過艙體上方的開口，而是進入艙體內部，在武器艙底面再附，之后在下游再次分離并流出艙體內部。跨聲速或超聲速來流條件下，流動在底面產生較強的激波，武器艙內激波/剪切層/旋渦耦合嚴重，產生很強的脈動壓力，形成一個向上游傳播的壓力波的聲源；向前反饋的壓力波會進一步觸發剪切層的失穩，形成一種壓力擾動反饋機制，從而使得武器艙內產生很強的噪聲。

圖2 不同時刻武器艙中截面瞬時流場Fig. 2 Instantaneous flow fields in the center plane of the weapons bay at different time instances

圖3 展示了POD 分解后各階模態的能量分布。圖4 展示了前4 階模態。與簡單空腔不同，武器艙內沒有明顯的大渦結構，隨著階數增高，模態包含的流動結構愈加細碎。

圖3 模態能量分布Fig. 3 Modal energy distribution

圖4 前4 階模態Fig. 4 First four modes

圖5 給出了不同艙門開度，武器艙內OASPL 曲線。艙門小偏度打開時，前艙總聲壓級較高；隨著打開偏度增加，后艙總聲壓級增大；打開90°及110°兩種狀態下，艙內總聲壓級幾乎一致，呈現從前到后逐漸增大的趨勢。

圖5 不同艙門開度武器艙內總聲壓級曲線Fig. 5 OASPL in the weapons bay for different door opening angles on the OASPL in the weapons bay

圖6 給出了艙內掛載武器的OASPL 曲線。內埋武器的遮擋減弱了流動拍擊武器艙內各壁面的強度，降低了艙內總聲壓級。

圖6 武器艙內掛載武器總聲壓級曲線Fig. 6 OASPL in the weapons bay for different weapon loads OASPL in the weapons bay

3 內埋武器艙降噪控制

3.1 控制方式設計

內埋武器艙噪聲控制的本質是通過采取有效的措施來控制流場。主動控制需要向流場中注入能量，以達到流動控制的目的；被動控制不需要能量注入，通過幾何修形或加裝固定的裝置，達到流動控制的目的。被動控制在系統復雜性上優于主動控制，但對不同飛行工況的適應性較弱，無法在所有狀態下都達到最佳的控制效果。綜合考慮控制效果、可行性及需要付出的額外代價，工程單位多采用被動控制，重點減輕嚴重狀態的噪聲強度。

如圖7 所示，本文共設計三種流動控制措施：第一種在武器艙前緣增加翼型擾流片；第二種將武器艙前緣流動通過導波管引到武器艙后緣；第三種在武器艙前緣開縫吹氣。其中，第一種和第二種屬于被動控制措施，第三種屬于主動控制措施。

圖7 不同流動控制措施示意圖Fig. 7 Schematic diagram of different flow control methods

與羅堃宇等[20]的研究類似，武器艙前緣增加的擾流裝置，將武器艙前緣拖出的強剪切層的空間位置抬高，避免其直接撞擊掛架及后艙區域的艙體壁面，降低艙外高速氣流對艙內流場的能量注入，從而起到流動控制的作用，如圖8 所示。

圖8 增加控制裝置后武器艙內瞬時流場Fig. 8 Instantaneous flow fields in the weapons bay with control devices

3.2 控制效果分析

基于上述流動控制方案，開展了降噪效果研究。圖9 展示了不同控制措施下艙內OASPL 曲線。增加擾流裝置后，除武器艙前緣外，其余位置艙內的總聲壓級均有不同程度的降低，前緣增加翼型擾流片的控制效果更為顯著。

圖9 不同控制方式艙內總聲壓級曲線對比Fig. 9 Comparison of OASPL in the weapons bay for different control methods

表1 不同控制方式的最大降噪效果Table 1 Maximum OASPL reduction for different control methods

圖10 給出了第16 測點在有無前緣翼型擾流片控制方式下的PSD 對比曲線。控制裝置使得各個頻率下的聲壓幅值均有所降低。

圖10 無擾流裝置與優選擾流裝置第16 測點PSD 曲線對比Fig. 10 Comparison of SPL at the 16th measurement point with and without the flow control device

4 結 論

本文以復雜來流條件下典型內埋武器艙為研究對象，開展高精度非定常數值仿真分析。根據流動特征，采用了三種流動控制方案，開展了高速風洞試驗，系統分析了艙門開度、內埋武器掛載等因素對艙內噪聲水平的影響，并且對不同擾流裝置的降噪效果進行了分析，為隱身戰機內埋武器艙的工程設計提供參考依據。

1）對于復雜來流條件下的內埋武器艙而言，武器艙門的開度大小、艙內是否掛載武器都會影響武器艙內的總聲壓級分布。

2）前緣擾流片、導波管以及前緣吹氣對武器艙內總聲壓級均產生一定的降噪效果。在本文研究的范圍內，前緣擾流片的控制效果最顯著，使得艙內總聲壓級降噪5 dB。

為了得到更優的控制方案，工程實踐中，需開展更加細致的研究工作。針對前緣擾流片控制裝置的幾何參數開展靈敏度分析及優化選型，使得前緣擾流片在工程可接受的設計范圍內達到最優的降噪效果。