CN113464310A - 一种无源被动二次流多轴耦合推力矢量喷管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无源被动二次流多轴耦合推力矢量喷管，涉及矢量喷管领域，能够使流体矢量喷管实现多轴矢量效果。本发明包括：包括收缩段和喷管矢量控制段。收缩段为内部中空的长方体，收缩段的入口为圆形，出口为正方形，且出口截面积大于入口截面积，收缩段的中空内腔将圆形入口截面过渡为正方形出口截面，喷管矢量控制段也是内部中空的长方体，喷管矢量控制段包括外壁、静压腔、康达壁面、流量阀、控制孔；本发明通过控制流量阀的开关状态，实现两个以上方向的矢量推力，与现有的无源二次流单轴矢量喷管相比，能够实现无源二次流多轴矢量推力，具有无源二次流多轴偏转的矢量效果，并且结构简单，无需外接控制气源，重量轻。

Description

一种无源被动二次流多轴耦合推力矢量喷管

技术领域

本发明涉及矢量喷管技术领域，尤其涉及一种无源被动二次流多轴耦合推力矢量喷管。

背景技术

传统气动舵面的控制难以满足非常规姿态下的飞行器姿态控制，推力矢量技术在军用、民用航空器上都有较大的需求，可用于提高飞机的机动性、减小配平阻力、增加升力等目的。目前常见的推力矢量分为机械推力矢量和流体推力矢量两种。

机械推力矢量利用机械装置带动喷管或整个发动机旋转，导致结构复杂、重量大，但是原理简单、技术成熟，已经有多种型号飞行器应用。

流体推力矢量分为有源流体式和无源流体式，其中有源流体式通过注入二次流控制喷流的偏转流动，因此喷管的壁面无需活动，使矢量喷管能够大幅减重；但注入二次流需要额外的气源，如从发动机压气机、喷管中引气或携带高压气瓶、挥发性液体，导致系统不紧凑和复杂化，可能会抵消其减重的效果；无源流体式推力矢量技术无需额外的气源，具有结构简单、轻便的特点。流体推力矢量目前还难以实用，只在一些弹道导弹或者小型无人验证机上应用。近年来，出现了一种新形式的无源流体矢量喷管，其利用喷流卷吸引射的作用产生无源二次流，以控制康达效应实现喷流偏转，因此无需携带气源，能量损失极低，使流体矢量喷管距离实用更进一步。

利用康达效应的流体矢量喷管存在固有的缺点，即对喷流康达效应的控制是通过改变分离泡的大小实现的。不稳定的分离泡对喷管结构的尺寸参数敏感，需要精确的设计与加工才能实现控制喷流稳定偏转，特别是对控制缝的尺寸精度要求高，否则可能会发生推力矢量控制时的突跳，即喷流与壁面的夹角无法连续改变，只能稳定在一些特定的角度或角度区间。在流体矢量喷管内喷流的偏转具有迟滞性，即在相同阀门开度下，阀门从开到关与从关到开喷流的偏转角度不一致。目前流体矢量喷管的研究及应用还只限于二维单轴推力矢量，流体多轴矢量喷管研究很少，距离实用还有一定距离。

发明内容

本发明提供一种无源被动二次流多轴耦合推力矢量喷管，能够使流体矢量喷管实现多轴矢量效果。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种无源被动二次流多轴耦合推力矢量喷管，包括收缩段和喷管矢量控制段，所述收缩段为内部中空的长方体，所述收缩段的入口为圆形，出口为正方形，且出口截面积大于入口截面积，所述收缩段的中空内腔将圆形入口截面过渡为正方形出口截面；

所述喷管矢量控制段也是内部中空的长方体，该长方体包括四个外壁，每个外壁的内侧设置有一个康达壁面，同一侧的康达壁面与外壁之间具有一定的夹角，同一侧的康达壁面和外壁形成一个独立的静压腔，共四个静压腔，各个静压腔相互独立；

所有的所述康达壁面在所述矢量控制段内侧也组成了一个入口小，出口大的腔体，所述腔体的入口和所述收缩段内中空内腔的出口紧密连接，在所述康达壁面靠近所述腔体的入口位置上设置多个控制孔。

作为优选的一种技术方案，同一个康达壁面上的所有控制孔的面积之和不超过该康达壁面面积的10％。

作为优选的一种技术方案，相邻两个控制孔的孔圆心间距不超过所述控制孔半径的三倍。

作为优选的一种技术方案，所述康达壁面与同侧的外壁之间的夹角角度范围在10-30°之间。

作为优选的一种技术方案，所述外壁外侧设置流量阀，所述流量阀和所述静压腔连通。

在上述技术方案的基础上，作为优选的一种技术方案，所述流量阀采用蝶形阀、滑板阀、球阀中的一种或多种。

优选的，通过控制流量阀开度使喷流发生一个方向的偏转，通过控制侧向阀门开度使偏转方向力的突跳、迟滞现象减弱。

本发明的有益效果是：

本发明无需复杂和笨重的液压伺服机构，只需通过多个阀门组合控制，即可实现推力或流动偏转角的多方向偏转，实现多轴矢量效果；另外，本发明可以通过在实现推力或流动偏转角多方向偏转的同时，可以通过多个阀门组合控制，减弱推力矢量离轴角在控制上的突跳性、迟滞性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是实施例的侧视图；

图2是实施例的俯视图；

图3是实施例的侧视图的剖面图

图4是实施例的俯视图的剖面图

图5是实施例无控制喷流中立状态时的示意图；

图6是实施例控制喷流向上偏转时的示意图；

图7是实施例控制喷流向右下偏转时的示意图；

图8是实施例进行“米”字形多方向控制的偏转方向示意图；

图9是实施例在固定左流量阀在0％、14％开度时，改变上流量阀开度得到的Y方向力变化曲线；

图10是实施例在固定左流量阀在29％、43％开度时，改变上流量阀开度得到的Y方向力变化曲线；

图11是实施例在固定左流量阀在57％、71％开度时，改变上流量阀开度得到的Y方向力变化曲线；

图12是实施例在固定左流量阀在86％、100％开度时，改变上流量阀开度得到的Y方向变化曲线。

其中，11-上静压腔、12-右静压腔、13-下静压腔、14-左静压腔、21-上康达壁面、22-右康达壁面、23-下康达壁面、24-左康达壁面、31-上控制孔、32-右控制孔、33-下控制孔、34-左控制孔、41-上流量阀、42-右流量阀、43-下流量阀、44-左流量阀、5-收缩段、6-外壁。

在图9、图10、图11、图12中，采取同种控制方式——左流量阀开度固定在0％、14％、29％、43％、57％、71％、86％、100％时，控制上流量阀从关到开、从开到关两个行程从而在每一个左流量阀状态得到两条曲线。

在图9中，在上流量阀开度小于30％时，Y方向力突跳完成，突跳斜率为2.83；上流量阀控制的Y方向力在流量阀开启、关闭过程的迟滞现象——迟滞环较细长，面积较小。

在图10中，在左流量阀开度不同时，曲线呈现出两种规律。结合图9中左流量阀0％、14％呈现出的一致规律可以得出左流量阀在开启0～29％之间可以使Y方向力的突跳区间后移、突跳斜率减小、迟滞环增大；左流量阀开度43％时，突跳斜率下降，迟滞环进一步增大的同时，Y方向力所能达到的最大幅值也有所下降。

在图11中，随着左流量阀开度的进一步增大，迟滞环有很明显的减小，突跳斜率也有所下降。

在图12中，随着左流量阀基本完全打开，迟滞现象基本消失，突跳斜率为0.67，是左流量阀基本完全关闭时的23％，Y方向力的迟滞现象基本消失。

由图9、图10、图11、图12综合分析可以得出左流量阀的开启可以使上流量阀控制的Y方向力的突跳、迟滞现象减弱的效果，从而可以更加线性的控制推力矢量喷管产生的矢量推力。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例提供一种无源被动二次流多轴耦合推力矢量喷管，如图1所示，包括收缩段5和喷管矢量控制段。

收缩段5为内部中空的长方体，收缩段5的入口为圆形，与喷气发动机或涵道风扇的喷口相连，出口为正方形，且出口截面积大于入口截面积，收缩段5的中空内腔将圆形入口截面过渡为正方形出口截面。

喷管矢量控制段也是内部中空的长方体，喷管矢量控制段包括外壁6、上静压腔11、右静压腔12、下静压腔13、左静压腔14、上康达壁面21、右康达壁面22、下康达壁面23、左康达壁面24、上控制孔31、右控制孔32、下控制孔33、左控制孔34、上流量阀41、右流量阀42、下流量阀43、左流量阀44。

收缩段5的出口为正方形，四个边分别无缝连接上康达壁面21、右康达壁面22、下康达壁面23、左康达壁面24，上述康达壁面均为等腰梯形平板。同一侧的康达壁面和外壁直接具有一定的夹角，该夹角在10-30°之间，同一侧的康达壁面和外壁形成静压腔，根据位置分布分别为上静压腔11、右静压腔12、下静压腔13、左静压腔14。

康达壁面与收缩段5出口连接处，沿展向设置多个圆形控制孔，根据位置分布分别为上控制孔31、右控制孔32、下控制孔33、左控制孔34。上述控制孔的面积不超过对应一侧康达壁面面积的10％，相邻孔之间圆心的间距不超过控制孔半径的3倍，四个康达壁面上控制孔的分布完全相同。外壁6外侧还设置流量阀，根据位置分布分别为上流量阀41、右流量阀42、下流量阀43、左流量阀44。

上控制孔31与上静压腔11连通，下控制孔33与下静压腔13连通，左控制孔34与左静压腔14连通，右控制孔32与右静压腔12连通。上静压腔11与上流量阀41连接，下静压腔13与下流量阀43连接，左静压腔14与左流量阀44连接，右静压腔12与右流量阀42连接。上流量阀41、下流量阀42、左流量阀44、右流量阀42均直通外界大气。

传统的二元流体推力矢量喷管称为“一”字形偏转，多轴耦合推力矢量喷管不仅通过控制四个阀门可以实现“十”字形偏转，并且可以通过推力矢量的耦合效应实现“米”字形偏转。

本实施例中喷管工作原理为：

在非矢量状态下，上、下、左、右共4个流量阀都完全开启，上、下、左、右共4个静压腔均分别与大气连通。喷流从发动机喷口喷出，进入多轴耦合推力矢量喷管收缩段，随后喷流经过康达壁面上的控制孔，由于喷流与康达壁面间产生了低压，外界的空气流经静压腔，通过控制孔进入喷流与康达壁面间的剪切层，使康达壁面上的压力升高，气流保持离壁状态。

矢量状态下，以喷流下偏为例，上流量阀开启，下、左、右共3个流量阀都关闭。在喷管矢量控制段的喷流与扩张的康达壁面间产生了低压，外界的空气流经上静压腔，通过上控制孔使上康达壁面上的压力升高，而喷流在对侧的下控制孔由于下流量阀关闭，没有流体的补充，压强得不到有效提高，从而上下产生压强差吸附喷流与下康达壁面靠近，产生矢量推力。

本实施例具体包括以下几种工作方式：

1.控制喷流中立

在射流中立状态下，上流量阀41、右流量阀42、下流量阀43、左流量阀44完全开启，上静压腔11、右静压腔12、下静压腔13、左静压腔14均分别与大气连通。喷流从发动机喷出，进入1收缩段，使原本呈圆形截面的发动机喷流转为正方形。随后喷流经过上康达壁面21、右康达壁面22、下康达壁面23、左康达壁面24上的上控制孔31、右控制孔32、下控制孔33、左控制孔34，由于喷流与康达壁面间产生了低压，外界的空气流经静压腔，通过圆形控制孔进入喷流与康达壁面间的剪切层，使康达壁面上的压力升高，喷流保持离壁状态，与上康达壁面21、右康达壁面22、下康达壁面23、左康达壁面24的间距相等，不发生偏转，推力方向不变。

2.控制喷流下偏

控制喷流下偏时与上静压腔11相连的上流量阀41开启，与下静压腔13相连的下流量阀43关闭。当喷流经过上康达壁面21上的上控制孔31，由于喷流与扩张的上康达壁面21间产生了低压，外界的空气流经上静压腔11，通过上控制孔31进入喷流与上康达壁面21间的剪切层，使上康达壁面21上的压力升高，喷流保持离壁状态。而喷流经过下康达壁面23的下控制孔33时，由于下控制孔33的压力降低，导致与之连通的下静压腔13压力降低，吸附喷流与下康达壁面23靠近，从而喷流下偏，推力方向下偏。当与12右静压腔相连的右流量阀42、与左静压腔14相连的左流量阀44均开启时，喷流下偏度较小；当与12右静压腔相连的右流量阀42、与左静压腔14相连的左流量阀44均关闭时，气流下偏角度最大。

3.控制喷流上偏

控制喷流上偏时，与下静压腔13相连的下流量阀43开启，与上静压腔11相连的上流量阀41关闭。当喷流经过下康达壁面23上的下控制孔33，由于喷流与扩张的下康达壁面23间产生了低压，外界的空气流经下静压腔13，通过下控制孔33进入喷流与下康达壁面23间的剪切层，使下康达壁面23上的压力升高，喷流保持离壁状态。而喷流经过上康达壁面21的上控制孔31时，由于上控制孔31的压力降低，导致与之连通的上静压腔11压力降低，吸附喷流与上康达壁面21靠近，从而喷流上偏，推力方向上偏。当与12右静压腔相连的右流量阀42、与左静压腔14相连的左流量阀44均开启时，喷流上偏度较小；当与12右静压腔相连的右流量阀42、与左静压腔14相连的左流量阀44均关闭时，气流上偏角度最大。

4.控制喷流左偏

控制喷流左偏时，与右静压腔12相连的右流量阀42开启，与左静压腔14相连的左流量阀44关闭。当喷流经过右康达壁面22上的右控制孔32，由于喷流与扩张的右康达壁面22间产生了低压，外界的空气流经右静压腔12，通过右控制孔32进入喷流与右康达壁面22间的剪切层，使右康达壁面22上的压力升高，喷流保持离壁状态。而喷流经过左康达壁面24的左控制孔34时，由于左控制孔34的压力降低，导致与之连通的左静压腔14压力降低，吸附喷流与左康达壁面24靠近，从而喷流左偏，推力方向左偏。当与上静压腔11相连的上流量阀41、与下静压腔13相连的下流量阀43均开启时，喷流左偏度较小；当与上静压腔11相连的上流量阀41、与下静压腔13相连的下流量阀43均关闭时，气流左偏角度最大。

5.控制喷流右偏

控制喷流右偏时，与左静压腔14相连的左流量阀44开启，与右静压腔12相连的右流量阀42关闭。当喷流经过左康达壁面24上的左控制孔34，由于喷流与扩张的左康达壁面24间产生了低压，外界的空气流经左静压腔14，通过左控制孔34进入喷流与左康达壁面24间的剪切层，使左康达壁面24上的压力升高，喷流保持离壁状态。而喷流经过右康达壁面22的右控制孔32时，由于右控制孔32的压力降低，导致与之连通的右静压腔12压力降低，吸附喷流与右康达壁面22靠近，从而喷流右偏，推力方向右偏。当与上静压腔11相连的上流量阀41、与下静压腔13相连的下流量阀43均开启时，喷流右偏度较小；当与上静压腔11相连的上流量阀41、与下静压腔13相连的下流量阀43均关闭时，气流右偏角度最大。

6.控制喷流左上偏

控制喷流左上偏时，与右静压腔12相连的右流量阀42、与下静压腔13相连的下流量阀43均开启，与左静压腔14相连的左流量阀44、与上静压腔11相连的上流量阀41均关闭。当喷流经过右康达壁面22上的右控制孔32和下康达壁面23上的下控制孔33时，由于喷流与扩张的右康达壁面22和下康达壁面23间产生了低压，外界的空气流经右静压腔12、下静压腔13，通过右控制孔32进入喷流与右康达壁面22间的剪切层、下控制孔33进入喷流与下康达壁面23间的剪切层，使右康达壁面22和下康达壁面23上的压力升高，喷流保持离壁状态。而喷流经过左康达壁面24的左控制孔34和上康达壁面21的上控制孔31时，由于左控制孔34和上控制孔31的压力降低，导致与之连通的左静压腔14和上静压腔11压力降低，吸附喷流与左康达壁面24和上康达壁面21靠近，从而喷流左上偏，推力方向左上偏。

7.控制喷流右上偏

控制喷流右上偏时，与左静压腔14相连的左流量阀44、与下静压腔13相连的下流量阀43均开启，与右静压腔12相连的右流量阀42、与上静压腔11相连的上流量阀41均关闭。当喷流经过左康达壁面24上的左控制孔34和下康达壁面23上的下控制孔33时，由于喷流与扩张的左康达壁面24和下康达壁面23间产生了低压，外界的空气流经左静压腔14、下静压腔13，通过左控制孔34进入喷流与左康达壁面24间的剪切层、下控制孔33进入喷流与下康达壁面23间的剪切层，使左康达壁面24和下康达壁面23上的压力升高，喷流保持离壁状态。而喷流经过右康达壁面22的右控制孔32和上康达壁面21的上控制孔31时，由于右控制孔32和上控制孔31的压力降低，导致与之连通的右静压腔12和上静压腔11压力降低，吸附喷流与右康达壁面22和上康达壁面21靠近，从而喷流右上偏，推力方向右上偏。

8.控制喷流左下偏

控制喷流左下偏时，与右静压腔12相连的右流量阀42、与上静压腔11相连的上流量阀41均开启，与左静压腔14相连的左流量阀44、与下静压腔13相连的下流量阀43均关闭。当喷流经过右康达壁面22上的右控制孔32和上康达壁面21上的上控制孔31时，由于喷流与扩张的右康达壁面22和上康达壁面21间产生了低压，外界的空气流经右静压腔12、上静压腔11，通过右控制孔32进入喷流与右康达壁面22间的剪切层、上控制孔31进入喷流与上康达壁面21间的剪切层，使右康达壁面22和上康达壁面21上的压力升高，喷流保持离壁状态。而喷流经过左康达壁面24的左控制孔34和下康达壁面23的下控制孔33时，由于左控制孔34和下控制孔33的压力降低，导致与之连通的左静压腔14和下静压腔13压力降低，吸附喷流与左康达壁面24和下康达壁面23靠近，从而喷流左下偏，推力方向左下偏。

9.控制喷流右下偏

控制喷流右下偏时，与左静压腔14相连的左流量阀44、与上静压腔11相连的上流量阀41均开启，与右静压腔12相连的右流量阀42、与下静压腔13相连的下流量阀43均关闭。当喷流经过左康达壁面24上的左控制孔34和上康达壁面21上的上控制孔31时，由于喷流与扩张的左康达壁面24和上康达壁面21间产生了低压，外界的空气流经左静压腔14、上静压腔11，通过左控制孔34进入喷流与左康达壁面24间的剪切层、上控制孔31进入喷流与上康达壁面21间的剪切层，使左康达壁面24和上康达壁面21上的压力升高，喷流保持离壁状态。而喷流经过右康达壁面22的右控制孔32和下康达壁面23的下控制孔33时，由于右控制孔32和下控制孔33的压力降低，导致与之连通的右静压腔12和下静压腔13压力降低，吸附喷流与右康达壁面22和下康达壁面23靠近，从而喷流右下偏，推力方向右下偏。

表1所示的控制规律为本发明的一个实例，实例中4个康达壁面采用18°偏角，壁面长度与收缩段出口正方形边长比例2:1，有如表1推力矢量角与4个流量阀开关闭合控制的关系。在实际应用中，通过控制上下左右4个流量阀的开关状态，可以实现不同方向的矢量推力。

表1

本发明的有益效果：

1、该无源二次流多轴耦合推力矢量喷管可以实现推力或流动偏转角的多方向偏转，在25m/s速度的喷管内喷流状态下，单阀门控制单向偏转角度可达17°，双阀门控制斜向偏转角度可达12°，从喷管出口下游向上游看去，推力或流动矢量角可以很好实现“米”字形偏转；

2、在控制推力矢量单向偏转方面，侧边阀门的开启有助于单向偏转中突跳现象的减弱，例如：在25m/s速度的喷管内喷流状态下，控制推力矢量下偏时完全开启左侧阀门可以使推力矢量中向下的分力突跳斜率减小到原来的23.7％，而幅值减小到原来的50％；

3、在控制推力矢量单向偏转方面，侧边阀门开启到一定程度时有助于单向偏转中迟滞现象的减弱，例如控制推力矢量下偏时；

4、二次流引气装置较为简单，可以有效减轻重量；

5、本发明喷管型面固定，无需复杂和笨重的液压伺服机构，只需通过多个阀门组合控制二次流流量使得控制喷流可在多个方向发生偏转，从而产生多轴矢量推力。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种无源被动二次流多轴耦合推力矢量喷管，其特征在于，包括收缩段和喷管矢量控制段，所述收缩段为内部中空的长方体，所述收缩段的入口为圆形，出口为正方形，且出口截面积大于入口截面积，所述收缩段的中空内腔将圆形入口截面过渡为正方形出口截面；

所述喷管矢量控制段也是内部中空的长方体，该长方体包括四个外壁，每个外壁的内侧设置有一个康达壁面，同一侧的康达壁面与外壁之间具有一定的夹角，同一侧的康达壁面和外壁形成一个独立的静压腔，共四个静压腔，各个静压腔相互独立；

所有的所述康达壁面在所述矢量控制段内侧也组成了一个入口小，出口大的腔体，所述腔体的入口和所述收缩段内中空内腔的出口紧密连接，在所述康达壁面靠近所述腔体的入口位置上设置多个控制孔。

2.根据权利要求1所述的一种无源被动二次流多轴耦合推力矢量喷管，其特征在于，同一个康达壁面上的所有控制孔的面积之和不超过该康达壁面面积的10％。

3.根据权利要求1所述的一种无源被动二次流多轴耦合推力矢量喷管，其特征在于，相邻两个控制孔的孔圆心间距不超过所述控制孔半径的三倍。

4.根据权利要求1所述的一种无源被动二次流多轴耦合推力矢量喷管，其特征在于，所述康达壁面与同侧的外壁之间的夹角角度范围在10-30°之间。

5.根据权利要求1所述的一种无源被动二次流多轴耦合推力矢量喷管，其特征在于：所述外壁外侧设置流量阀，所述流量阀和所述静压腔连通。

6.根据权利要求5所述的一种无源被动二次流多轴耦合推力矢量喷管，其特征在于，所述流量阀采用蝶形阀、滑板阀、球阀中的一种或多种。

7.根据权利要求5或6所述的一种无源被动二次流多轴耦合推力矢量喷管，其特征在于，通过控制流量阀开度使喷流发生一个方向的偏转，通过控制侧向阀门开度使偏转方向力的突跳、迟滞现象减弱。

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