CN108561242B - 一种基于平移运动的短距起降型喉道偏移式气动矢量喷管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平移运动的短距起降型喉道偏移式气动矢量喷管，包括：选取二喉道前部扩张收敛段上壁面的尾段作为平移部件，在平飞模态下平移部件与二喉道前部扩张收敛段的上侧固定部紧密贴合，两者构成完整的二喉道前部扩张收敛段上壁面，且与下侧喷管壁面对称；由平飞模态切换至短距起降模态时平移部件沿特殊设计的运动轨迹向后下方平移，且平移部件与上侧固定部之间设置一个阻塞气流流动的气帘部件以关闭流通通道，实现便捷的短距起降。本发明通过特殊设计的平移部件及其沿特定运动轨迹的平移运动，实现平飞模态和短距起降模态的相互切换，具备高效、便捷的短距起降功能，拓宽了它的应用场合。

Description

一种基于平移运动的短距起降型喉道偏移式气动矢量喷管

技术领域

本发明涉及一种基于平移运动的短距起降型喉道偏移式气动矢量喷管，属于推力矢量和短距起降航空发动机喷管技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展和实际需求的提高，未来飞行器将越来越多地使用推力矢量航空发动机。推力矢量航空发动机实现推力矢量功能的核心是推力矢量喷管。传统机械式推力矢量喷管结构复杂，可靠性差，维护麻烦，因此开发一种结构简单、重量轻、维护性好的推力矢量喷管迫在眉睫。

当下，流体推力矢量喷管逐渐以其结构简单、重量轻的特点成为各国的研究重点和研究热点，并将在不远的未来进入工程应用。同时，如何在尽可能少改变喷管结构的前提下为流体推力矢量喷管赋予更多的功能成为推力矢量喷管新的领域研究方向之一。

而喉道偏移式气动矢量喷管是近年来兴起的一种新型流体推力矢量喷管，凭借结构简单，重量轻、矢量性能好等的特点，受到越来越多的青睐。常见的喉道偏移式气动矢量喷管为双喉道结构，以二喉道面积略微比一喉道面积大最为常见。一般可以将喉道偏移式气动矢量喷管分为主动有源型和自适应无源型，其中主动有源型产生推力矢量气源的来源多为外置的压缩器、气瓶或者从航空发动机高压部件(多为压气机)中引气，其特点时推力矢量角随喷管工作落压比变化小，但对整台航空发动机来说推力损失较大；而自适应无源型则是设置自适应旁路通道将喷管入口位置的高压气流引至喷管的指定位置注入，自适应产生扰动并最终实现推力矢量，其克服了主动有源型的缺点，对航空发动机整机推力影响较小，矢量角也较为稳定。

常见的喉道偏移式气动矢量喷管仅仅能产生约20°左右的单一方向矢量角，常见用于飞行器俯仰方向的控制。但从用途需求来说，世界各国目前大力发展的短距起降具有效率更高、结构更为简单、对于飞行器飞行控制系统的要求较低，更加受到世界各国的追捧。而仅仅依靠喉道偏移式气动矢量喷管产生的20°矢量角对于实现短距起降还是稍显不够的。因此，本发明巧妙利用喉道偏移式气动矢量喷管二喉道前部扩张收敛段(凹腔)的型面特征以及喷管二喉道前部扩张收敛段(凹腔)不对称几何型面就可以产生很明显推力矢量的特点，选择部分喷管上壁面作为平移运动的部件，设计优化了特殊的平移运动轨迹，使得短距起降模态下喷管内型面几何构型不对称，在附加设备较少和平飞矢量性能不降低的前提下就可以产生较平飞矢量模态下更大的、满足短距起降需要的矢量角，拓宽了原喷管的应用场合。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于平移运动的短距起降型喉道偏移式气动矢量喷管，通过特殊设计的平移部件及其沿特定运动轨迹的平移运动，实现平飞模态和短距起降模态的相互切换，具备高效、便捷的短距起降功能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于平移运动的短距起降型喉道偏移式气动矢量喷管，包括平飞模态下依次连通的喷管进口、一喉道前部等直段、一喉道前部收敛段、一喉道、二喉道前部扩张段、二喉道前部收敛段、二喉道；

其中，选取二喉道前部扩张收敛段(即二喉道前部扩张段、二喉道前部收敛段的结合)上壁面的尾段作为平移部件，在平飞模态下平移部件与二喉道前部扩张收敛段的上侧固定部紧密贴合，两者构成完整的二喉道前部扩张收敛段(凹腔)上壁面；由平飞模态切换至短距起降模态时平移部件沿特殊设计的运动轨迹向后下方平移，且平移部件与上侧固定部之间设置一个阻塞气流流动的气帘部件进行以关闭平移部件与上侧固定部中间形成的通道，此时喷管只有平移部件与喷管下壁面中间形成的流通通道，从而通过气流斜向下喷气实现了便捷的短距起降功能。

进一步的，所述平移部件的外部型线包括上、下、左、右四个部分；其中，右型线与飞行器后体设计有关，取阻力较小、过渡流畅的型线即可；上型线没有特殊设计要求，只需要满足其与喷管上壁面紧密贴合、不漏气。

由于平飞模态下喷管内型面上下对称，下型线为平飞模态下二喉道前部扩张收敛段的部分内型线，其与二喉道前部扩张收敛段下壁面对应位置的内型线对称设计即可，且水平方向的投影长度是二喉道前部扩张收敛段长度的40％-70％。左型线与二喉道前部扩张收敛段下壁面对应位置构成短距起降模态下的喷管内流道收敛段，其设计好坏将影响喷管内流道的流通顺畅程度及流动损失；同时，在平飞模态下左侧型线与喷管上壁面对应部分紧密贴合，因此在设计的过程中还需要结合参与平移运动部件的运动路径共同设计避免平移运动中出现运动干涉。其中一种简单的型线是取与水平向后方向夹角为锐角的直线段，以30°-60°的角度取值范围为宜。

由于平移运动的特点，平移部件的运动轨迹可以用来描述组成平移部件的任何一个质点的运动轨迹。本发明优选的平移部件运动轨迹包括依次衔接的圆弧AB及直线BC，其中，圆弧AB是以喷管二喉道下尖点为圆心、二喉道高度为半径的圆O的一部分，圆弧AB的起点A为所在圆O的最高点，而B点是平移部件收敛段直线与圆O恰好相切于二喉道上尖点的位置。此后，平移部件沿直线继续向斜下方运动，在此过程中平移部件的收敛段始终与圆O相切，直线运动轨迹BC与平移部件的收敛段平行，运动终点C即为平移部件的下型线与圆O恰好相切的位置。本发明优选的部件平移运动轨迹的终点为部件平移运动后平移运动部件的下型线(扩张段与收敛段)与以喷管二喉道下尖点为圆心，以二喉道高度为半径的圆相切(二喉道高度由平飞状态下喷管工作性能及设计决定)。

作为本发明的进一步改进，在短距起降模态过程及其模态切换过程中，可以通过在一喉道附近注气等方式实现对于喷管最终产生的矢量角进行快速微调，实现飞行器飞行姿态的快速控制和调节。

有益效果：本发明提供的一种基于平移运动的短距起降型喉道偏移式气动矢量喷管，相对于现有技术，具有以下优点：

(1)本发明使得喷管在推力矢量性能不受影响的前提下具有了出色、高效的短距起降能力，拓宽了它的应用场合；

(2)本发明在短距起降模态下只有一个出口通道，其分类属于机械为主、气动为辅的短距起降，气流流动稳定性更高一些，且模态切换过程中受流动稳定性，迟滞影响较小，没有反向矢量；

(3)一般来说，本发明可以在短距起降模态下产生45°左右的矢量角，比在平飞模态下使用一喉道附近注气流动控制的方法矢量积角大10°以上，特别是在喷管工作落压比2-4之间时矢量角提高15°以上，对于短距起降的贡献显而易见；

(4)本构型喷管大多数型线以直线为主，设计简单，便于结合实际工程实用进行改进和快速优化设计，且驱动结构简单，特别是驱动平移部件的驱动力和驱动力矩小。

附图说明

图1为本发明在平飞模态下的结构示意图；

图2为本发明在短距起降模态下的结构示意图；

图3为本发明中平移部件在平飞模态切换至短距起降模态过程中的运动示意图；

图中包括：1、喷管进口，2、一喉道前部等直段，3、一喉道前部收敛段，4、一喉道，5、二喉道前部扩张段，6、平移部件，7、二喉道前部收敛段，8、二喉道，9、气帘部件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于平移运动的短距起降型喉道偏移式气动矢量喷管，包括平飞模态下依次连通的喷管进口1、一喉道前部等直段2、一喉道前部收敛段3、一喉道4、二喉道前部扩张段5、二喉道前部收敛段7、二喉道8；

其中，选取二喉道前部扩张收敛段上壁面的尾段作为平移部件6，在平飞模态下平移部件6与二喉道前部扩张收敛段的上侧固定部紧密贴合，两者构成完整的二喉道前部扩张收敛段上壁面，而与下侧喷管壁面型面对称；由平飞模态切换至短距起降模态时平移部件6沿特殊设计的运动轨迹向后下方平移，且平移部件6与上侧固定部之间形成的通道由伸展或折叠的气帘部件9阻挡关闭，实现便捷的短距起降。此时，喷管流通通道仅仅只有一个，即流过一喉道的气流流过平移运动之后的上壁面与固定下壁面之间所形成的通道后沿斜向下的喷管出口喷出，产生满足短距起降所需要的升力。通过此套装置，在相同喷管工作落压比下，本发明所产生的推力矢量角比起仅仅依靠一喉道尖点附近注气产生推力矢量的方法大10°以上，特别在喷管工作落压比在2-4之间时可以提高15°以上，可以满足短距起降的需要。

所述平移部件的外部型线包括上、下、左、右四个部分，其中，右型线与飞行器后体设计有关，取阻力较小、过渡流畅的型线即可；上型线设计没有特殊要求，只需要满足其与喷管上壁面紧密贴合、不漏气。由于平飞模态下参与平移运动的上壁面部分二喉道前部扩张收敛段不运动，喷管内型面上下对称，因此参与平移运动的上壁面部分二喉道前部扩张收敛段下侧壁面型线与喉道偏移式气动矢量喷管的下壁面对称设计即可。

其左型线与下壁面对应位置构成短距起降模态下的喷管内流道收敛段，其设计好坏将影响喷管内流道的流通顺畅程度及流动损失；同时，在平飞模态下左侧型线与喷管上壁面对应部分紧密贴合，因此在设计的过程中还需要结合参与平移运动部件的运动路径共同设计壁面运动干涉。其中一种简单的型线是取与水平向后方向夹角为锐角的直线段，以30°-60°的角度取值范围为宜。

气帘部件处于平移部件与上侧固定部所夹通道之中，起堵塞通道、减少或防止喷管主流气体从这个通道流出的作用。传统机械式的气帘分别连接喷管上侧固定部与平移部件，具体安装的位置其他没有特殊要求，但需要满足不影响实际部件平移运动且不产生运动干涉。此时，所述机械式气帘的展开形式包括但不限于伸展、平移、滑错、折叠等。由于本发明所述气帘仅仅指的是阻塞气流运动的部件，通过气流流动控制手段阻塞流道流动的气动式气帘也可以适用于这个场合。

平移部件的运动轨迹是实现喷管高效短距起降的关键，也是决定其能否真正工程实用的关键。本发明优选的部件平移运动轨迹的终点需满足以下要求：平移部件运动后平移部件的下型线(扩张段与收敛段)要与以喷管二喉道下尖点为圆心、二喉道高度为半径的圆相切。其二喉道高度由平飞状态下喷管工作性能及设计决定。

如图3所示，本发明优选的平移部件运动轨迹包括依次衔接的圆弧AB及直线BC，其中圆弧AB是以喷管二喉道下尖点为圆心、二喉道高度为半径的圆O的一部分，圆弧AB的起点A为这个圆O的最高点，而B点是平移部件收敛段直线与圆O恰好相切于二喉道上尖点的位置。此后，平移部件沿直线继续向斜下方运动，在此过程中平移部件的收敛段始终与圆O相切，直线运动轨迹与平移部件的收敛段平行，运动终点C即为平移部件的下型线与圆O恰好相切的位置。其中终点C为部件平移运动后平移运动部件的下型线(扩张段与收敛段)与以喷管二喉道下尖点为圆心，以二喉道高度为半径的圆相切(二喉道高度由平飞状态下喷管工作性能及设计决定)。

由于平移运动的特点，前文所述的运动轨迹可以用来描述组成平移部件的任何一个质点的运动轨迹。

驱动平移部件的方式很多，包括但不限于液压做动、导轨驱动、链条驱动、伺服装置驱动等。实现上文中运动轨迹的方案也很多，包括但不限于：(1)在喷管侧壁上设置滑轨/滑槽、通过在平移部件上设置的对应滑轮或类似机构驱动平移部件；(2)通过分别控制平移部件X方向和Y方向运动的两套驱动系统按照控制程序实现以上运动路径。

本发明实现俯仰方向控制的原理、注气位置、注气角度等与常规喉道偏移式气动矢量喷管一致，在此不再赘述。同时，本发明适用范围同时满足主动有源型和自适应无源型的喉道偏移式气动矢量喷管。

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 (4)

1.一种基于平移运动的短距起降型喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于，包括平飞模态下依次连通的喷管进口(1)、一喉道前部等直段(2)、一喉道前部收敛段(3)、一喉道(4)、二喉道前部扩张段(5)、二喉道前部收敛段(7)、二喉道(8)；

其中，所述二喉道前部扩张段(5)、二喉道前部收敛段(7)组成二喉道前部扩张收敛段，选取二喉道前部扩张收敛段上壁面的尾段作为平移部件(6)，在平飞模态下平移部件(6)与二喉道前部扩张收敛段的上侧固定部紧密贴合，两者构成完整的二喉道前部扩张收敛段上壁面；由平飞模态切换至短距起降模态时平移部件(6)向后下方平移，且平移部件(6)与上侧固定部之间设置一个阻塞气流流动的气帘部件(9)以关闭流通通道，实现便捷的短距起降；

所述平移部件(6)的外部型线包括上、下、左、右四个部分；

其中，右型线与飞行器后体型面的设计相适应；上型线与上侧固定部对应位置的内型线相适配，以确保在平飞模态下平移部件(6)与上侧固定部之间紧密贴合、不漏气；下型线与二喉道前部扩张收敛段下壁面对应位置的内型线相对称，且水平方向的投影长度是二喉道前部扩张收敛段长度的40％-70％；短距起降模态下，左型线与二喉道前部扩张收敛段下壁面对应位置构成该模态下的喷管内流道收敛段，且平飞模态下左型线与上侧固定部对应位置的内型线相适配以确保不漏气。

2.根据权利要求1所述的一种基于平移运动的短距起降型喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于，所述左型线选取与水平向后方向夹角为30°-60°的直线段。

3.根据权利要求1所述的一种基于平移运动的短距起降型喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于，所述平移部件(6)的运动轨迹包括依次衔接的圆弧AB及直线BC；

其中，圆弧AB是以二喉道下尖点为圆心、二喉道高度为半径的圆O上的一段圆弧，圆弧AB的起点A为所在圆O的最高点，B点是平移部件(6)收敛段直线与圆O恰好相切于此时二喉道上尖点的位置；直线BC与平移部件(6)收敛段直线平行，且终点C为平移部件(6)的下型线与圆O恰好相切的位置。

4.根据权利要求1所述的一种基于平移运动的短距起降型喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于，在短距起降模态及其模态切换过程中，在一喉道尖点处向主气流注入次流来进行流动控制。

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