CN106499543B - 一种排气喷管推力矢量控制与面积调节的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种排气喷管推力矢量控制与面积调节的装置与方法。该方法利用了喷管内不同侧的气流膨胀思想实现推力矢量控制。同时提出了利用喷管上下游压差实现所需的推力矢量控制；且该上下游压差也同时实现了喷管的面积调节。本发明同时提出了实现这种推力矢量控制与面积调节的相应装置。这种方法克服了推力矢量作动下喷管气动性能因此也是发动机性能损失较大、不利飞发一体化等缺点。而利用喷管自身的压力，同时实现喷管面积调节与推力矢量作动，消除了外带高压液压源的需求，简化了作动系统。
Description
技术领域
本发明属于飞行器(包括飞机、火箭)动力技术领域，具体涉及一种实现排气喷管推力矢量控制与面积调节的装置与方法。
背景技术
排气喷管是飞行器动力装置主要的部件之一。它主要的功能是排出发动机高温燃气以产生推力，同时也为发动机提供背压环境。为了能够适应飞行器在不同的高度/速度、发动机工作状况下的需求，排气喷管通常需要进行调节。由于目前排气喷管的主要形式为收扩喷管(或称拉瓦尔喷管)，因此喷管的调节涉及到喷管的喉道面积改变(主要用于飞机喷管，以适应发动机加力)和出口面积调节(为更好地适应环境压力，以获得更大的推力)。同时，随着现代空战的环境日趋复杂，对飞机和导弹的技/战术性能都提出了更高的要求。排气喷管的功能也不断增多。为了能更有效地获取战场主动权，推力矢量技术(ThrustVectoring，下简写为TV)是新一代飞机与导弹必须具有的一项能力。推力矢量技术有多种实现途径，但主要是通过喷管实现排气流的偏转而实现的，因此，矢量喷管就成为推力矢量技术发展关键的第一步。
目前，进入工程实用阶段的矢量喷管是传统的液压作动的机械式推力矢量喷管，然而这种推力矢量喷管的主要问题是：喷管气动性能损失较大；需要额外的高压气源；运动部件总多；结构复杂，故障率高；与飞机的一体化困难等。难以满足未来战斗机和导弹对高隐身、高机动性、高可靠性等的要求。
最典型的具有喷管面积调节和推力矢量功能的排气喷管是普惠公司和GE公司均设计并试验的轴对称推力矢量喷管(AVEN)。AVEN由3个A9转向/面积调节作动筒、4个 A8喉道面积调节片作动筒、3个调节环支承、喷管控制活门等构成。该喷管的推力矢量控制与作动通过飞机携带的液压源驱动。这种轴对称矢量喷管也应用于俄罗斯的AЛ-31 Ф喷管上。美国的最先进战斗机F22则采用了二元形式。
基于流动控制的推力矢量喷管概念也得到了广泛关注，但是现有方案要么由于流体工作条件的不稳定、要么由于发动机推力损失较大等缺陷，因此这种技术在可预见的未来将难以进入工程实用阶段。
基于排气喷管调节与推力矢量控制仍存在的不足，本发明提出了一种新型的推力矢量控制方法，这种方法克服了推力矢量作动下喷管气动性能因此也是发动机性能损失较大、不利飞发一体化等缺点；并进一步利用喷管自身的压力，同时实现喷管面积调节与推力矢量作动，消除了外带高压液压源的需求，简化了作动系统。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，为了解决现有飞行器动力中排气喷管推力矢量控制与面积调节方面的不足，而提出一种新型的喷管推力矢量控制与面积调节方法。
技术方案：本发明采用一种排气喷管推力矢量控制与面积调节的装置，由喷管本体和其外侧对称设置的作动系统组成，其中：
所述喷管本体为收扩形的管道，其进口截面1为高压端，连接到发动机核心机，最小截面即A8截面为喷管喉道，出口截面为A9截面；所述进口截面和所述喷管喉道之间的喷管壁面为喷管收敛段，所述喷管喉道和所述A9截面之间的喷管壁面为喷管扩张段；
所述作动系统由与所述喷管本体连接的作动器组成，包括与所述A8截面相连的A8作动器、与所述A9截面连接的A9作动器、以及设置在喷管扩张段上的推力矢量即TV 作动器；所述作动器均通过各自的引气管与主引气管连接，而主引气管与喷管进口通过高压端开口连接；在所述主引气管上设有稳压/冷却室和引气总管阀门。
进一步的，所述每个作动器均由引气端口、分流管、高压室、活塞和推杆依次连接组成，所述引气端口连接所述主引气管，所述推杆连接所述喷管本体；所述分流管上设有阀门；其中：
所述活塞将所述高压室分隔为第一高压室和第二高压室，所述分流管由两支并联组成，分别为：与所述第一高压室连接的第一分流管，与第二高压室连接的第二分流管。
进一步的，所述喷管扩张段分为两段：第一扩张段和第二扩张段，且第二扩张段的长度不超过扩张段总长的1/4。
进一步的，所述第一扩张段和第二扩张段之间采用可动铰接或者鱼鳞片式结构连接。
进一步的，所述喷管收敛段与第一扩张段之间的喷管壁面通过铰接的作动环连接。
进一步的，环绕所述喷管等间隔布置四组相同的所述作动调节系统。
一种排气喷管推力矢量控制与面积调节装置的方法，为进行推力矢量控制，打开一组主引气管路上的引气总管阀门并经过冷却/稳压室、关闭A8作动器和A9的作动器上的阀门；同时开启TV作动器中与第一高压室连接的左侧阀门，关闭与第二高压室连接的右侧阀门；
喷管进口的高压排气进入TV作动器内的第一高压室中，活塞在两侧压差作用下，推动推杆移动，将第一扩张段内推至流道新位置，第二扩张段也向流道内联动至新位置，且使第一扩张段与喷管轴线成0-20°的倾斜角，此时喷管扩张段形成两侧不同的形状；
推力矢量任务完成后，开启TV作动器中第二高压室的右侧阀门，关闭左侧阀门，其他部件保持工作时的状态；此时第二高压室内的压差推动阀门移回原始位置，推杆把扩张段收回成原始状态；
最后关闭主引气管路上的阀门。
一种排气喷管推力矢量控制与面积调节装置的方法，为进行A9调节，开启所述四组作动器上的主引气管上的阀门，关闭A8控制一侧的阀门和TV控制一侧的阀门；
打开A9作动器中第一高压室的左侧阀门，关闭右侧阀门，活塞推动推杆，推杆进一步推动喷口，使得A9截面积减小；
切换A9作动器中高压室两侧阀门的开启状态，将扩大A9截面积；
相同的模式应用于A8作动器，将进行喷管喉道的面积调节。
有益效果：本发明提供的排气喷管推力矢量控制与面积调节的方法与装置，对比已有技术具有以下显著优点：
1.利用了喷管内气流的等熵膨胀实现推力矢量作动，减少了喷管作动时喷管从而也是发动机的性能损失；
2.由于在喷管作动时喷管的出口面积维持不变，显著减少了推力矢量作动对飞行器的影响，改进了飞发一体化性能；
3.利用排气喷管自身的压差作为面积调节和推力矢量控制的动力源，消除了外部液压源以及液压工作过程所需的所有附件，从而极大地减轻了喷管调节/控制系统的重量，也提高了飞行器的可靠性。
附图说明
图1为本发明的喷管本体结构示意图；
图2为本发明的作动系统结构示意图；
图3为实施例2的结构示意图；
图4为矢量化流场的马赫数分布示意图；
图5为矢量化喷管上下壁面静压示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明公开了一种排气喷管推力矢量控制与面积调节的方法与装置。该方法利用了喷管内不同侧的气流膨胀思想实现推力矢量控制。同时提出了利用喷管上下游压差实现所需的推力矢量控制；且该上下游压差也同时实现了喷管的面积调节。本发明同时提出了实现这种推力矢量控制与面积调节的相应装置。
本发明公开的排气喷管推力矢量控制与面积调节的装置，由喷管本体和其外侧对称设置的作动系统组成。喷管本体为收扩形的管道，其进口截面1为高压端，连接到发动机核心机，最小截面即A8截面为喷管喉道2，出口截面为A9截面3，进口截面1和喷管喉道2之间的喷管壁面为喷管收敛段4，喷管喉道2和A9截面3之间的喷管壁面为喷管扩张段；作动系统由与喷管本体连接的作动器组成，包括与A8截面相连的A8作动器15、与A9截面连接的A9作动器17、以及设置在喷管扩张段上的推力矢量即TV 作动器16，作动器均通过各自的引气管与主引气管9连接，而主引气管9与喷管进口通过高压端开口13连接，在主引气管9上设有稳压/冷却室12和引气总管阀门14。
其中，每个作动器均由引气端口18、分流管、高压室、活塞23和推杆26依次连接组成，引气端口18连接主引气管9，推杆26连接喷管本体；分流管上设有阀门；活塞 23将高压室分隔为第一高压室24和第二高压室25，分流管由两支并联组成，分别为：与第一高压室24连接的第一分流管19，与第二高压室25连接的第二分流管20。
另外，喷管扩张段分为两段：第一扩张段5和第二扩张段6，且第二扩张段的长度不超过扩张段总长的1/4；第一扩张段5和第二扩张段6之间采用可动铰接或者鱼鳞片式结构连接8；喷管收敛段4与第一扩张段5之间的喷管壁面通过铰接的作动环7连接；环绕所述喷管等间隔布置四组相同的所述作动调节系统。
本发明提供的实现排气喷管推力矢量控制与面积调节装置的方法，包括如下特征：为进行推力矢量控制，打开一组主引气管路9上的引气总管阀门14并经过冷却/稳压室12、关闭A8作动器和A9的作动器上的阀门；同时开启TV作动器16中与第一高压室连接的左侧阀门21，关闭与第二高压室连接的右侧阀门22；喷管进口1的高压排气进入TV作动器16内的第一高压室24中，活塞23在两侧压差作用下，推动推杆26移动，将第一扩张段5向内推至5’的新位置，第二扩张段6也联动至6’的新位置，且使第一扩张段与喷管轴线成0-20°的倾斜角，喷管扩张段形成两侧不同的形状；推力矢量任务完成后，开启TV作动器16中第二高压室的右侧阀门22，关闭左侧阀门23，其他部件保持工作时的状态；此时第二高压室内的压差推动阀门移回原始位置，推杆26把扩张段5、6收回成原始状态；最后关闭主引气管路上的阀门14。
另外，为进行A9调节，开启所述四组作动器上的主引气管9上的阀门14，关闭 A8控制一侧的阀门和TV控制一侧的阀门；打开A9作动器17中第一高压室的左侧阀门21，关闭右侧阀门22，活塞23推动推杆26，推杆进一步推动喷口3，使得A9截面积减小；切换A9作动器中高压室两侧阀门的开启状态，将扩大A9截面积。相同的模式应用于A8作动器，将进行喷管喉道2的面积调节。
实施例1
对于同时需要进行A8、A9以及推力矢量控制的情况(飞机发动机的典型情况)，需同时采用本发明的A8、A9及TV控制部分，如图1所示。
首先将喷管本体与作动器按照上述的发明内容的技术方案中记录的装置进行设计，可取第二扩张段的长度为扩张段总长的1/4－1/5。
在不需要任何调节或作动情况下，引气总管器阀门14与高压端开启门13均处于关闭状态。
如果需要进行TV控制，则开启引气总管阀门14，高压端开启门13打开，TV作动器16中的控制阀门21开启而阀门22关闭。另外A8与A9调节流路上的作动器控制阀门均处于关闭状态。此时喷管进口截面1处的高压气流经过稳压/冷却室12、通过主引气管道9和TV分流管11到达TV作动器16。图2所示，进入TV作动器16的高压气流通过作动器引气端口18、分流管道19进入作动器中活塞23左侧的第一高压室24中。该高压气流推动活塞23与推杆26向右侧移动。推杆26进一步推动喷管壁面向下移动。喷管扩张段形成了由向内缩进的5’和6’形成的新扩张段，且第一扩张段5’与喷管轴线呈向上α＝0°-20°的倾斜角。喷管中的排气流在5’中的膨胀受到抑制，因此维持了接近于喷管喉道处的高压，而喷管另一侧的气流正常膨胀，压力下降，从而第一扩张段中形成了第一部分的横向压差(在图示情况中是向上的压差)。在第二扩张段中，被作动一侧的气流急剧膨胀，形成了极低的压力，但是按照设计，第二扩张段6’的长度很小，同时由于该处极低的压力，卷吸了外部气流进入喷气流中，形成了横向的动量通量(方向也向上)。在第一扩张段中的横向压差和第二扩张段中卷吸气流的横向动量共同作用下，排气流将被推向未作动喷管壁面的一侧。从而实现了推力矢量作动。当推力矢量作动完成后，关闭作动器控制阀门21，开启阀门22，则高压气流进入活塞23右侧的第二高压室 25内，推动活塞23从而也即推动推杆26向左移动，恢复喷管扩张段。
在A8调节时，TV作动器16与A9作动器17均处于关闭状态(即它们的双阀门均不开启)，打开A8作动器15中的左侧控制阀21，推动A8作动器15的推杆26向前移动，缩小A8的截面积。当需要扩大A8面积时，关闭左侧第一高压室24的扩张阀21，打开右侧第二高压室25的阀门22，推动活塞23与推杆26扩大A8面积。A9面积的调节按与A8调节相同的方式在A9主引气管道9和A9作动器17中完成。
实施例2
对于只需推力矢量控制与A9调节的情况(火箭发动机的典型情况)，只需采用本发明的TV作动与A9控制部分。因此系统布置如图3所示。工作原理与实例1类似。
实施例3
实施例1和2中的作动器可用进一步简化。可以按照环绕喷管环形设计作动器除推杆之外的部件，再采用四组等周向间隔的推杆。
实施效果
在典型的收扩形喷管中，采用本发明的装置与方法，在喷管落压比4时，如将第二扩张段长度设计成扩张段总长的0.25倍，且第一扩张段上推至倾斜角10°时，可以实现高达21°的推力矢量角，同时喷管的推力系数高达0.97。在其他正常工作条件(落压比、第一扩张段倾斜角、第一扩张段长度比)下，推力矢量角一般可达15-25°，总压恢复系数和推力系数基本在0.9以上。可实现推力矢量的流场原理显示在图4和图5中。另一方面，经过机构分析，在低至2的落压比下，喷管即可实现所需的推力矢量以及A8、A9 调节作动力矩。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种排气喷管推力矢量控制与面积调节的装置，其特征在于：由喷管本体和其外侧对称设置的作动系统组成，其中：
所述喷管本体为收扩形的管道，其进口截面（1）为高压端，连接到发动机核心机，最小截面即A8截面为喷管喉道（2），出口截面为A9截面（3）；所述进口截面（1）和所述喷管喉道（2）之间的喷管壁面为喷管收敛段（4），所述喷管喉道（2）和所述A9截面（3）之间的喷管壁面为喷管扩张段；
所述作动系统由与所述喷管本体连接的作动器组成，包括与所述A8截面相连的A8作动器（15）、与所述A9截面连接的A9作动器（17）、以及设置在喷管扩张段上的推力矢量作动器（16）；所述A8作动器（15）、A9作动器（17）、推力矢量作动器（16）均通过各自的引气管与主引气管（9）连接，而主引气管（9）与喷管进口通过高压端开口（13）连接；在所述主引气管（9）上设有稳压/冷却室（12）和引气总管阀门（14）。
2.根据权利要求1所述的排气喷管推力矢量控制与面积调节的装置，其特征在于：所述A8作动器（15）、A9作动器（17）、推力矢量作动器（16）均由引气端口（18）、分流管、高压室、活塞（23）和推杆（26）依次连接组成，所述引气端口（18）连接所述主引气管（9），所述推杆（26）连接所述喷管本体；所述分流管上设有阀门；其中：
所述活塞（23）将所述高压室分隔为第一高压室（24）和第二高压室（25），所述分流管由两支并联组成，分别为：与所述第一高压室（24）连接的第一分流管（19），与第二高压室（25）连接的第二分流管（20）。
3.根据权利要求1所述的排气喷管推力矢量控制与面积调节的装置，其特征在于：所述喷管扩张段分为两段：第一扩张段（5）和第二扩张段（6），且第二扩张段的长度不超过所述喷管扩张段总长的1/4。
4.根据权利要求3所述的排气喷管推力矢量控制与面积调节的装置，其特征在于：所述第一扩张段（5）和第二扩张段（6）之间采用可动铰接或者鱼鳞片式结构连接。
5.根据权利要求1所述的排气喷管推力矢量控制与面积调节的装置，其特征在于：所述喷管收敛段（4）与第一扩张段（5）之间的喷管壁面通过铰接的作动环（7）连接。
6.根据权利要求1所述的排气喷管推力矢量控制与面积调节的装置，其特征在于：环绕所述排气喷管等间隔布置四组相同的所述作动系统。
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