CN109184947A - 一种整体旋转式收敛矢量喷管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机用小型涡喷发动机的推力矢量控制喷管技术领域，尤其是涉及一种整体旋转式收敛矢量喷管。包括连接段和旋转收敛段组成的喷管主体，连接段与发动机出口相连，连接段前端设置有铰链连接台，铰链连接台上安装有双头铰链联接件，双头铰链联接件与液压驱动筒相连，液压驱动筒的液压驱动杆与旋转收敛段的球形支座相连。其加工方便，且可维修性、可拆卸性强，可多方位转动；能够提供偏航、俯仰等姿态调控所需的矢量控制，满足飞行器的敏捷操纵性需求；设计了喷管筒体的冷却方式，提高了喷管的寿命及耐用性；设计了两段喷管筒体之间的转动减阻方式，便于喷管灵活实现矢量控制。可以广泛的应用与对有推力矢量需求的各类微型涡轮喷管发动机。

Description

一种整体旋转式收敛矢量喷管

技术领域

本发明涉及无人机用小型涡喷发动机的推力矢量控制喷管技术领域，尤其是涉及一种整体旋转式收敛矢量喷管。

背景技术

随着现代军事技术的迅速发展，各类先进机载武器对航空飞行器的威胁日益凸显，如何提升飞行器的生存性能、作战性能，成为当代国内外研究机构的关注热点。目前而言，推力矢量技术优势明显，在扩大飞行包线、增强操纵性的同时还能够满足飞行器对生存性能的需求，是各国大力发展的关键技术之一。所谓推力矢量技术即推进系统的排气系统除了为飞机提供前进的推力外，还要在战斗机俯仰、偏航、横滚和需要反推力时提供推进力，以取代飞机舵面产生的外部气动力实现飞机控制，进而提高飞机机动性能。

实现推力矢量的关键在于推力矢量装置——矢量喷管。矢量喷管主要分为气动式矢量喷管和机械式式矢量喷管两类。

气动式矢量喷管概念较为先进，在结构上，它取消了复杂的机械作动机构、减轻的排气系统的重量、保障的排气系统的结构完整性；在原理上，采用一股独立的二次流控制主流，使主流发生偏转从而实现推力矢量；在其他关键特性上，它采用的二次流能降低排气系统的红外辐射强度、它能实现更快的矢量响应等。目前已有多种不同气动矢量方案出现，如基于科恩达效应的同向流法和逆流法、基于激波控制的激波矢量法、基于流动分离控制的喉部偏移法和双喉道法等，尽管近二十年来，众多研究人员开展了细致的研究工作、获得的丰富的研究结论，但是该类矢量喷管固有的缺陷限制了它在推进系统上的使用，即对二次流的依赖性、参数关联的复杂性、推力矢量的不稳定性、气动矢量的双稳态特性等。因此传统的机械式矢量喷管仍是目前甚至未来十到二十年内的主流技术。

机械式矢量喷管通过机械装置，如液压气动装置、伺服电机系统等，或调控出口面积大小和形状，或旋转整段喷管实现推力转向。机械式矢量喷管的作动系统增加了复杂的机械结构，使得发动机的重量大幅提升；机械结构工作在喷管壁面或附近，其高温环境会加快损耗其寿命，降低矢量喷管可靠性等。但其非常突出的优点在于可控性强、调节范围大、推力矢量稳定可靠。机械式矢量喷管主要类型包括：旋转喷管、燃气舵矢量喷管、二元收敛-扩张矢量喷管、球面收敛调节片式矢量喷管(SFCN)、轴对称矢量喷管(AVEN)等。其中旋转喷管主要特征是，喷管活动筒体可绕固定筒体做大角度转动，能实现不同矢量角，典型应用案例如鹞式战机用偏转喷管，雅克141和F-35B用三轴承偏转喷管。燃气舵矢量喷管是在喷管出口安装三或四块可向内、外转动的燃气舵，通过燃气舵的打开或转动，迫使主流发生偏转，从而实现推力矢量，典型验证机包括：X-31,F/A-18HARV等。二元矢量喷管由转接段和喷管本体组成，其中转接段将圆截面过渡到矩形截面，而喷管本体则由两块收敛板、扩张板及两块侧板组成，P&W公司曾提出了同时具有俯仰、反推及喉部面积可调控制的二元矢量喷管方案，利用F-15S/MTD完成了飞行试验，后取消了反推功能，并成功运用在F-22战机上。上世纪80年代中期P&W公司研制了具有偏航、俯仰及反推能力的球面收敛调节片式矢量喷管(SCFN)，其采用球面收敛段代替了二元喷管的“圆转方”过渡段，在收敛段上开有向前倾斜45°的四个反推窗口，同时保留了其矩形扩张段的结构，其作动机理如下，球面调节片异向转动，喷管喉部面积缩小；扩张段同向转动实现俯仰推力矢量；整个喷管绕进气轴左/右偏转，完成偏航控制；调节片收敛至极限，喷管喉部关闭、反推开通。轴对称矢量喷管(AVEN)分为：整体偏转式和作动环控制式，其中整体偏转式轴对称矢量喷管的结构特点是在喷管进口前增加球形转接段，整个喷管在作动系统的带动下可绕球心俯仰作动，该类推力矢量技术最早在AЛ-31Ф发动机上完成了地面台架试验与飞行验证。作动环控制式的代表为GE公司的AVEN喷管，它由三个A9转向作动筒、四个A8喉部面积调节作动筒、三个调节环支撑机构、喷管控制阀、调节片及扩张密封片等组成，能够实现17°矢量角和60°/s矢量偏转速率。当前微小型燃气涡轮发动机对推力矢量的需求，气动式不稳定、机械式过于复杂，上述两类气动及机械式矢量喷管均无法满足要求。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的缺陷而提供一种整体旋转式收敛矢量喷管，有效解决了现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所述的一种整体旋转式收敛矢量喷管，其特点是包括连接段和旋转收敛段组成的喷管主体，连接段与发动机出口相连，所述的连接段包括前部的圆直段和后部的球形曲面段，圆直段的轴线通过球形曲面段的球心，连接段的入口栓与发动机出口相连；所述的旋转收敛段包括前部的球形曲面段和后部的锥形收敛段，锥形收敛段的轴线通过球形曲面段的球心；旋转收敛段的球形曲面段嵌套配合在连接段的球形曲面段外部并同心设置，连接段前端设置有铰链连接台，铰链连接台上安装有双头铰链联接件，双头铰链联接件与液压驱动筒相连，液压驱动筒的液压驱动杆与旋转收敛段的球形支座相连。

所述的连接段内还设置有冷区孔和冷却通道，喷管引入的冷气在连接段筒体的球壳端面出口排出，与主流气体混合；所述的旋转收敛段的球形曲面段与连接段的球形曲面段为嵌套间隙配合，配合处的连接段球形曲面段上设置有八个用于安装耐高温滚珠的不完全球孔。

所述的球形支座和铰链连接台均设置为四个，每个球形支座对应安装液压驱动筒和与其对应设置的双头铰链联接件，每组中的双头铰链联接件、液压驱动筒和液压驱动杆的中心线均在同一平面内。

本发明的有益效果是：所述的一种整体旋转式收敛矢量喷管，其加工方便，且可维修性、可拆卸性强，可多方位转动；能够提供偏航、俯仰等姿态调控所需的矢量控制，满足飞行器的敏捷操纵性需求；设计了喷管筒体的冷却方式，提高了喷管的寿命及耐用性；设计了两段喷管筒体之间的转动减阻方式，便于喷管灵活实现矢量控制。可以广泛的应用与对有推力矢量需求的各类微型涡轮喷管发动机。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明剖视结构示意图；

图2为本发明图1的左视结构示意图；

图3为本发明非矢量工况下主流及冷却气流示意图；

图4为本发明矢量状态结构示意图；

图5为本发明轴测结构示意图。

图中所示：1.连接段；2.旋转收敛段；3.不完全球孔；4.冷却孔；5.双头铰链联接件；6.液压驱动筒；7.液压驱动杆；8.球形支座；9.铰链连接台。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1和2所示，所述的一种整体旋转式收敛矢量喷管，其特点是包括连接段1和旋转收敛段2组成的喷管主体，连接段1与发动机出口相连，所述的连接段1包括前部的圆直段和后部的球形曲面段，圆直段的轴线通过球形曲面段的球心，连接段1的入口通过螺钉或螺栓与发动机出口相连；所述的旋转收敛段2包括前部的球形曲面段和后部的锥形收敛段，锥形收敛段的轴线通过球形曲面段的球心；旋转收敛段2的球形曲面段嵌套配合在连接段的球形曲面段外部并同心设置，连接段1前端设置有铰链连接台9，铰链连接台9上安装有双头铰链联接件5，双头铰链联接件5与液压驱动筒6相连，液压驱动筒6的液压驱动杆7与旋转收敛段2的球形支座8相连。

所述的连接段1内还设置有冷区孔4和4-8排圆形或矩形截面的冷却通道，喷管引入的冷气在连接段1筒体的球壳端面出口排出，与主流气体混合，通过引入主流1％-3％的冷却空气能降低喷管筒体壁面的温度，延长喷管的使用寿命；引入的冷却空气在喷管连接段球壳末端排出，与主流排气混合，进一步促进主流高温的扩散；所述的旋转收敛段2的球形曲面段与连接段的球形曲面段为嵌套间隙配合，配合处的连接段球形曲面段上设置有八个用于安装耐高温滚珠的不完全球孔3，球孔的位置由滑动副的最大长度决定，确保旋转收敛段的球壳在某平面内旋转至最大状态时，始终包着球孔；耐高温滚珠能减小喷管连接段和旋转收敛段之间球壳面间的摩擦力。

所述的球形支座和铰链连接台均设置为四个，每个球形支座对应安装液压驱动筒和与其对应设置的双头铰链联接件，每组中的双头铰链联接件、液压驱动筒和液压驱动杆的中心线均在同一平面内。

所述的一种整体旋转式收敛矢量喷管，其作动构件工作如下，通过液压泵向液压作动筒输入高压液压油，驱动液压作动杆，从而带动旋转收敛段运动，实现推力矢量。每副作动机构分别带有各自的液压作动器，单独调控，实现多方位的矢量角度，提供飞行器宽广的偏航俯仰控制范围。在作动构件牵引下，喷管旋转收敛段可在360°周向范围内做0-20°矢量控制。其旋转收敛段与液压驱动杆通过球副联接，确保在喷管旋转过程中不会出现卡死或者构件干涉。

所述的一种整体旋转式收敛矢量喷管，旋转式收敛矢量喷管主流/冷却气流的流动状态如图3所示，主流气流从发动机流入到连接段1的主流道内，冷却气流则流入到连接段1内的冷却气流道内，即冷却孔4。两股气流均沿流向朝下游流动，其中主流对冷却气流存在引射作用。两股气流在在连接段1的球壳末端面处汇聚，随后共同沿着旋转收敛段筒体2的收敛段流出喷管。冷却气流除了冷却喷管筒体，减少壁面的热变形量，而且还起到与主流掺混、加速主流的高温扩散的作用，进而减小喷管的红外辐射强度。当安装整体旋转式收敛矢量喷管的微型发动机需要俯仰推力矢量时，液压泵向安装在上部的液压驱动筒6提供高压液压油，驱动同侧液压驱动杆7向后方运动；同时液压泵向安装在下部的液压驱动筒6提供低压液压油，使得同侧液压驱动杆7向前方运动。此时作用两侧的液压驱动筒与液压驱动杆保持不变，在上下两侧液压杆的作用下，喷管旋转收敛段2将获得一个顺时针的俯仰转动，由此获得一定的推力矢量，根据对矢量角的需求，指令液压泵输送不同压力的液压油。喷管偏转后如图4所示。当安装整体旋转式收敛矢量喷管的微型发动机需要偏航推力矢量时，液压泵向安装在左部的液压驱动筒6提供高压液压油，驱动同侧液压驱动杆7向后方运动；同时液压泵向安装在右部的液压驱动筒6提供低压液压油，使得同侧液压杆7向前方运动。此时作用上下测的液压驱动筒与液压驱动杆保持不变，在左右两侧液压杆的作用下，喷管旋转收敛段2将获得一个逆时针的偏航转动，由此获得一定的推力矢量，根据对矢量角的需求，指令液压泵输送不同压力的液压油。当安装整体旋转式收敛矢量喷管的微型发动机需要俯仰和偏航组合推力矢量时，液压泵同时先上、下、左、右四个液压驱动筒6提供不高低压力的液压油，驱动同侧液压驱动杆7在周向空间内运动。根据矢量角的大小与方向确定不同的液压杆驱动位移以及液压油的压力。当安装整体旋转式收敛矢量喷管的微型发动机无推力矢量需求时，向上、下、左、右四个液压驱动筒6输入相同压力的液压油，使得液压杆保持无位移状态，同时保证作动机构具有一定的抗扰动能力。

以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种整体旋转式收敛矢量喷管，其特点是包括连接段和旋转收敛段组成的喷管主体，连接段与发动机出口相连，所述的连接段包括前部的圆直段和后部的球形曲面段，圆直段的轴线通过球形曲面段的球心，连接段的入口栓与发动机出口相连；所述的旋转收敛段包括前部的球形曲面段和后部的锥形收敛段，锥形收敛段的轴线通过球形曲面段的球心；旋转收敛段的球形曲面段嵌套配合在连接段的球形曲面段外部并同心设置，连接段前端设置有铰链连接台，铰链连接台上安装有双头铰链联接件，双头铰链联接件与液压驱动筒相连，液压驱动筒的液压驱动杆与旋转收敛段的球形支座相连。

2.如权利要求1所述的一种整体旋转式收敛矢量喷管，其特征在于：所述的连接段内还设置有冷区孔和冷却通道，喷管引入的冷气在连接段筒体的球壳端面出口排出，与主流气体混合；所述的旋转收敛段的球形曲面段与连接段的球形曲面段为嵌套间隙配合，配合处的连接段球形曲面段上设置有八个用于安装耐高温滚珠的不完全球孔。

3.如权利要求1所述的一种整体旋转式收敛矢量喷管，其特征在于：所述的球形支座和铰链连接台均设置为四个，每个球形支座对应安装液压驱动筒和与其对应设置的双头铰链联接件，每组中的双头铰链联接件、液压驱动筒和液压驱动杆的中心线均在同一平面内。