CN112145315B - 一种矩形喷管推力矢量偏转控制装置 - Google Patents

一种矩形喷管推力矢量偏转控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种矩形喷管推力矢量偏转控制装置，在喷口内侧上表面增加下偏襟翼，在喷口内侧侧面增加侧偏襟翼,通过下偏襟翼和侧偏襟翼对喷管出口几何形状和内型面进行修型，改变喷流的初始流动速度和空间分布。下偏襟翼偏转，在喷口上侧形成偏转绕流，喷流到达柯恩达襟翼之前就已经预偏了一定的角度，降低喷流有效高度；侧偏襟翼偏转，促进喷流展向扩张，增加喷流作用面积。通过下偏襟翼和侧偏襟翼的组合控制，在保持基本喷口面积不变的前提下，降低喷流偏转的难度，显著增大推力矢量偏转角和偏转效率。

Description

一种矩形喷管推力矢量偏转控制装置
技术领域
本发明属于空气动力学技术领域，涉及一种矩形喷管推力矢量偏转控制装置，尤其是基于喷口修型的矩形喷管推力矢量偏转组合控制方法。
背景技术
翼身融合布局具有较高的气动效率，和较大的装载空间，能够降低油耗、增加有效载荷，是下一代运输类飞机的首选气动布局。由于翼身融合部面积占比较大，传统意义上的机翼面积占比较小，因此常规缝翼、襟翼等组合机械式增升装置的增升能力下降，降低了飞行器的低速高升力性能，需要更长的跑道才能满足起降要求。因此需要利用发动机推力矢量偏转控制实现动力增升，显著增加有效升力，以降低对跑道的依赖程度。
发动机推力矢量偏转利用柯恩达附壁效应，当发动机喷流流经弯曲的柯恩达襟翼上表面，高速喷流附着并发生较大角度的偏转，流速增加，在高速喷流加速、裹挟作用下，绕机翼环量增加，产生相当大的气动升力。
对于翼身融合布局飞机翼上内埋发动机布置，没有尾椎角，减少跨声速巡航阻力。但内埋发动机位置靠后，发动机喷口至襟翼前缘距离较小；为提高巡航效率，机翼尾缘封闭角较小，限制了机翼后缘大半径襟翼的安装空间。以上两因素使得没有足够的流向距离来促进喷流的展向扩张以降低喷流的有效高度，喷流较厚,难以偏转；且柯恩达襟翼的曲率较大，需要更大的压力梯度才能满足喷流偏转所需的离心力，因此推力矢量偏转角和偏转效率较低。
常规机械式推力矢量控制技术，存在结构复杂、可靠性差、推力损失严重等缺点，且无法在有限的空间内进行集成；流体式推力矢量控制技术需要引入二次流，且控制效率较低、存在非线性、双稳态、迟滞等现象，还有诸多难题需要解决。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种矩形喷管推力矢量偏转控制装置，解决了现有翼身融合布局翼上内埋发动机布置运输类飞机增升性能方面存在的不足问题。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种矩形喷管推力矢量偏转控制装置，所述推力矢量偏转控制装置至少包括下偏襟翼、侧偏襟翼和柯恩达襟翼，其中，所述下偏襟翼设置于所述矩形喷管的出口端的上表面，并与经第一转轴与所述矩形喷管相接；所述侧偏襟翼设置于所述矩形喷管的出口端的侧面，并经第二转轴与所述矩形喷管相接；所述柯恩达襟翼设置于所述矩形喷管的出口端下表面之上；在控制所述矩形喷管的喷口面积恒定的条件下，通过控制所述下偏襟翼的下偏角与所述侧偏襟翼的展开偏转角，完成所述矩形喷管喷口喷流的初始速度及喷流空间分布的调整。
本发明通过下偏襟翼和侧偏襟翼的组合控制对喷口修型，在保证喷口有效面积不变，不影响发动机工作状态的前提下：改变了矩形喷管出口的几何尺寸，提高矩形喷管出口的有效宽高比，降低了喷流的有效高度；改变了喷管内型面，增加了喷流在喷口平面内沿推力矢量偏转方向和展向扩张方向的流动速度，使得喷流在离开喷口之后，沿展向快速扩张，喷流有效高度进一步降低。当喷流到达襟翼前缘时，变得又宽又薄，降低了喷流附着偏转的难度，提高了推力矢量偏转角和偏转效率。
根据一个优选的实施方式，所述第一转轴位于矩形喷管的出口内表面的上部，并与出口平面平行设置。
根据一个优选的实施方式，所述下偏襟翼的长度为L1、下偏角为θ1、喷口高度方向的投影高度为h1，且满足关系式h1＝L1sinθ1。
根据一个优选的实施方式，所述第二转轴位于所述矩形喷管的出口平面，所述第二转轴105与矩形喷管的侧面的高度方向的夹角为β，0°≤β<90°。
根据一个优选的实施方式，当角β＝0°时，所述侧偏襟翼绕竖直设置的第二转轴进行转动，矩形喷管变形后的喷口截面为矩形结构。
根据一个优选的实施方式，当0°<β<90°时，所述侧偏襟翼绕倾斜设置的第二转轴进行转动，矩形喷管变形后的喷口截面为直角梯形结构。
根据一个优选的实施方式，所述侧偏襟翼的展开偏转角θ2，满足0°≤θ2<90°。
根据一个优选的实施方式，所述柯恩达襟翼的形状、曲率和偏角基于矩形喷管的推力矢量偏转的偏转角设置。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：本发明公开的矩形喷管推力矢量偏转控制装置，在不影响发动机工作状态的前提下，可以显著提高推力矢量偏转角和偏转效率。本控制装置属于无源控制方式，无需复杂的气源引射系统，控制结构简单，不影响发动机巡航性能，控制鲁棒性较好，可根据实际推力矢量偏转性能需求筛选组合控制参数。
附图说明
图1是本发明矩形喷管推力矢量偏转控制装置结构示意图。
图2是本发明矩形喷管推力矢量偏转控制装置中下偏襟翼的参数示意图。
图3是本发明矩形喷管推力矢量偏转控制装置中侧偏襟翼的参数示意图。
图4是本发明矩形喷管推力矢量偏转控制装置中β＝0°时，侧偏襟翼的参数示意图。
其中，100-矩形喷管，101-下偏襟翼，102-侧偏襟翼，103-柯恩达襟翼，104-第一转轴，105-第二转轴。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
实施例1：
参考图1至图4所示，本发明公开了一种矩形喷管推力矢量偏转控制装置。所述推力矢量偏转控制装置至少包括下偏襟翼101、侧偏襟翼102和柯恩达襟翼103。
在控制所述矩形喷管100的喷口面积恒定的条件下，通过控制所述下偏襟翼101的下偏角θ1与所述侧偏襟翼102的展开偏转角，完成所述矩形喷管100喷口喷流的初始速度及喷流空间分布的调整。
本发明通过下偏襟翼101和侧偏襟翼102的组合控制对喷口修型，在保证喷口有效面积不变，不影响发动机工作状态的前提下，改变了矩形喷管100出口的几何尺寸，提高矩形喷管100出口的有效宽高比，降低了喷流的有效高度；改变了喷管内型面，增加了喷流在喷口平面内沿推力矢量偏转方向和展向扩张方向的流动速度，使得喷流在离开喷口之后，沿展向快速扩张，喷流有效高度进一步降低。当喷流到达襟翼前缘时，变得又宽又薄，降低了喷流附着偏转的难度，提高了推力矢量偏转角和偏转效率。
优选地，矩形喷管100，喷管的宽度为L，喷管高度为D，喷口处喷流的高度为D，喷流偏转所需的离心力较大。当柯恩达襟翼103偏角较大时，喷流难以完全附着，因此可以通过对喷管100的喷口进行改型提升喷流附着能力。
优选地，所述下偏襟翼101设置于所述矩形喷管100的出口端的上表面，并与经第一转轴104与所述矩形喷管100相接。
优选地，所述第一转轴104位于矩形喷管100的出口内表面的上部，并与出口平面平行设置。
优选地，所述下偏襟翼101的长度为L1、下偏角为θ1、喷口高度方向的投影高度为h1，且满足关系式h1＝L1sinθ1。
即是，当下偏襟翼101的下偏角为θ1时，喷口实际高度为D-L1sinθ1。从而下偏襟翼101的型面对喷流导流，由于下偏襟翼101对喷流的压迫，使喷流在离开喷口平面时就具有推力矢量偏转方向的初速度，迫使喷流进一步向下偏转，相同的流向距离，喷流变得更薄、更宽。
优选地，所述侧偏襟翼102设置于所述矩形喷管100的出口端的侧面，并经第二转轴 105与所述矩形喷管100相接。
优选地，所述第二转轴105位于所述矩形喷管100的出口平面，所述第二转轴105与矩形喷管100的侧面的高度方向的夹角为β，0°≤β<90°。
优选地，当角β＝0°时，如图4所示。所述侧偏襟翼102绕竖直设置的第二转轴105进行转动，矩形喷管100变形后的喷口截面为矩形结构。
优选地，当0°<β<90°时，所述侧偏襟翼102绕倾斜设置的第二转轴105进行转动，矩形喷管100变形后的喷口截面为直角梯形结构。
进一步地，所述的侧偏襟翼的第二转轴105可以根据飞机的布局进行调整，可能是一个异形设计，原则是避免流动分离。
优选地，所述侧偏襟翼102的展开偏转角θ2，满足0°≤θ2<90°。
优选地，所述侧偏襟翼102为具有伸缩结构的翼面，以保证所述侧偏襟翼102在转动过程中，其上端面能与下偏襟翼101相接，其下端面能始终与喷管喷扣处底面相接。
优选地，当侧偏襟翼103的展开偏角为θ2时，喷口有效宽度增加，同时侧偏襟翼型面有一个扩张角，促进喷流的展向扩张，相同的流向距离，喷流的展向宽度增加，喷流的有效厚度变薄。
优选地，所述柯恩达襟翼103设置于所述矩形喷管100的出口端下表面之上。具体地，在矩形喷管100喷口下侧布置柯恩达襟翼103，当喷流流经弯曲的表面时，在柯恩达效应作用下，喷流发生偏转并附着在柯恩达襟翼的上表面，由于喷流的速度比较高，柯恩达襟翼103上表面负压增加，产生法向上的力，相当于推力矢量偏转的效果。同时高速喷流的卷吸、加速作用和位移效应，对上表面绕流加速，环量增加。
优选地，所述柯恩达襟翼103的形状、曲率和偏角基于矩形喷管100的推力矢量偏转的偏转角设置。即是，通过改变所述的柯恩达襟翼103的形状、曲率和偏角来调整推力矢量偏转可能达到的最大偏转角，从而影响推力矢量偏转效率和偏转控制的难易程度。
综上，当发动机喷流从矩形喷管100中喷出，当柯恩达襟翼103偏角较小，喷流在柯恩达效应作用下发生偏转并附着在襟翼上表面，产生推力矢量的控制效果。当柯恩达襟翼103偏角较大，喷流流动本身提供的压力梯度无法满足其附着流动所需的离心力，喷流就会从柯恩达表面分离，无法附着。
而本发明公开了一种矩形喷管推力矢量偏转控制装置，在喷口内侧上表面增加下偏襟翼101，在喷口内侧侧面增加侧偏襟翼102,通过下偏襟翼101和侧偏襟翼102对喷管出口几何形状和内型面进行修型，改变喷流的初始流动速度和空间分布。下偏襟翼101偏转，在喷口上侧形成偏转绕流，喷流到达柯恩达襟翼103之前就已经预偏了一定的角度，降低喷流有效高度；侧偏襟翼102偏转，促进喷流展向扩张，增加喷流作用面积。通过下偏襟翼101和侧偏襟翼102的组合控制，在保持基本喷口面积不变的前提下，降低喷流偏转的难度，显著增大推力矢量偏转角和偏转效率。
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种矩形喷管推力矢量偏转控制装置，其特征在于，所述推力矢量偏转控制装置至少包括下偏襟翼(101)、侧偏襟翼(102)和柯恩达襟翼(103)，
其中，所述下偏襟翼(101)设置于所述矩形喷管(100)的出口端的上表面，并与经第一转轴(104)与所述矩形喷管(100)相接；
所述侧偏襟翼(102)设置于所述矩形喷管(100)的出口端的侧面，并经第二转轴(105)与所述矩形喷管(100)相接；
所述柯恩达襟翼(103)设置于所述矩形喷管(100)的出口端下表面之上；
在控制所述矩形喷管(100)的喷口面积恒定的条件下，通过控制所述下偏襟翼(101)的下偏角与所述侧偏襟翼(102)的展开偏转角，完成所述矩形喷管(100)喷口喷流的初始速度及喷流空间分布的调整。
2.如权利要求1所述的一种矩形喷管推力矢量偏转控制装置，其特征在于，所述第一转轴(104)位于矩形喷管(100)的出口内表面的上部，并与出口平面平行设置。
3.如权利要求2所述的一种矩形喷管推力矢量偏转控制装置，其特征在于，所述下偏襟翼(101)的长度为L1、下偏角为θ1、喷口高度方向的投影高度为h1，且满足关系式h1＝L1sinθ1。
4.如权利要求1所述的一种矩形喷管推力矢量偏转控制装置，其特征在于，所述第二转轴(105)位于所述矩形喷管(100)的出口平面，所述第二转轴(105)与矩形喷管的侧面的高度方向的夹角为β，0°≤β<90°。
5.如权利要求4所述的一种矩形喷管推力矢量偏转控制装置，其特征在于，当角β＝0°时，所述侧偏襟翼(102)绕竖直设置的第二转轴(105)进行转动，矩形喷管(100)变形后的喷口截面为矩形结构。
6.如权利要求4所述的一种矩形喷管推力矢量偏转控制装置，其特征在于，当0°<β<90°时，所述侧偏襟翼(102)绕倾斜设置的第二转轴(105)进行转动，矩形喷管(100)变形后的喷口截面为直角梯形结构。
7.如权利要求4所述的一种矩形喷管推力矢量偏转控制装置，其特征在于，所述侧偏襟翼(102)的展开偏转角θ2，满足0°≤θ2<90°。
8.如权利要求1所述的一种矩形喷管推力矢量偏转控制装置，其特征在于，所述柯恩达襟翼(103)的形状、曲率和偏角基于矩形喷管(100)的推力矢量偏转的偏转角设置。
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