一种楔形多控制孔式流体推力矢量喷管的制作方法

本发明属于飞行器控制技术领域，具体是一种楔形多控制孔式流体推力矢量喷管。

背景技术：

推力矢量技术可用于增加飞机的升力、减小配平阻力、提高过失速机动的性能，以及在空气稀薄的高空或真空中控制飞行器的姿态，在军用、民用航空航天器上都有较大的需求。

目前常见的推力矢量喷管分为机械推力矢量喷管和流体推力矢量喷管两种。

机械推力矢量技术利用机械装置带动喷管或整个发动机旋转，原理较简单，控制规律明确，目前已在少量的飞行器上应用，但结构复杂、重量大、寿命短的缺点制约了其推广应用。

流体推力矢量喷管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，使推力矢量喷管能够大幅减重；但注入二次流往往需要额外的气源，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，或者对发动机的正常工作有一定影响，损失的推力可能会抵消其减重的效果。现有的有源流体推力矢量喷管目前还难以实用，只在一些弹道导弹或者小型无人验证机上应用。

近年来，出现了无源流体推力矢量喷管的概念，即省去了气源，直接从外流中自然吸气或从喷流中引出一小部分气体作为二次流。比如，利用喷流的抽吸作用产生无源二次流，用偏转片控制二次流的流量来控制coanda效应，以控制射流偏转。此类喷管无需携带气源，能量损失极低。还有无源喷管使用挡片控制旁路通道的开闭，诱导主喷流偏转，拥有流动损失小、结构简单的特点。

然而现有的无源流体推力矢量喷管和控制技术仍存在一些缺点，如推力矢量控制规律存在突跳和滞回、稳定性和可靠性差、结构设计和制造困难等，这些都限制了其工程实用性。具体来说，可能发生推力矢量角控制不连续，其原因是设计喷管时将喷流调到敏感的状态，只要有微小扰动就会偏转。这导致了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，甚至发生非指令偏转导致飞行器飞行失控。

另外，目前的流体推力矢量喷管的结构设计也存在诸多问题。例如中国专利《二元流体式推力矢量动力装置》（公开号：104295404a，公开日：2015年01月21日）中记载的流体推力矢量喷管，其控制偏转片和控制缝形状狭长，在高温、高压下很容易发生变形，可能存在卡滞的问题。一旦控制缝发生变形就会引起喷管控制规律的改变甚至失控，导致推力矢量的失效或非指令性偏转。又如中国专利《旁路式双喉道无源矢量喷管》（公开号：102434315a，公开日：2012年05月02日）中记载的流体推力矢量喷管，其挡片直接通过狭长的缝隙伸入高温燃气，可能存在烧蚀、寿命短、长期使用可靠性和稳定性差的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种楔形多控制孔式流体推力矢量喷管，该喷管削弱了流体附壁偏转的非受控性，使推力矢量角可以连续变化，避免了推力矢量控制规律存在的突跳和滞回、稳定性和可靠性差等问题。同时，避免喷管产生力、热变形和烧蚀，提高长期工作中的稳定性和可靠性。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种楔形多控制孔式流体推力矢量喷管，包括收缩段、斜切段、流量控制阀、静压腔、斜掠coanda壁面、控制孔。所述流量控制阀包括上控制阀和下控制阀，所述静压腔包括上静压腔和下静压腔，所述斜掠coanda壁面包括上壁面和下壁面，所述控制孔包括上控制孔和下控制孔。通过控制所述流量控制阀的开度改变所述静压腔内的压强，从而改变所述控制孔的压强和所述斜掠coanda壁面上的静压，使发动机喷流与壁面的距离改变，导致喷流与对称轴线的夹角改变，产生矢量角连续可变的矢量推力。

进一步的，所述收缩段出口与所述斜切段入口密封连接，所述斜切段出口与所述上壁面和所述下壁面无缝连接，所述上、下壁面的安装完全对称。所述上壁面与所述斜切段的上侧外壁、所述斜切段的左右侧壁共同组成所述上静压腔；所述下壁面与所述斜切段的下侧外壁、所述斜切段的左右侧壁共同组成所述下静压腔。所述上、下静压腔分别安装有所述上、下控制阀。在所述上、下壁面上靠近所述斜切段出口的位置，开设有一排或数排所述控制孔，所述控制孔为通孔，连通所述静压腔与喷流；所述上壁面上的控制孔为上控制孔，所述下壁面上的控制孔为下控制孔。使用时发动机的喷口与所述收缩段密封连接。比如，吸气式喷气发动机、非吸气式喷气发动机或涵道风扇的喷口。由上述结构可得，外界气体可通过所述流量控制阀引入所述静压腔，再通过所述控制孔穿过所述斜掠coanda壁面，与发动机喷流汇合。

更进一步，所述收缩段入口为圆形，所述入口用于与发动机的喷口相连，所述收缩段的出口为矩形。

另一种改进，所述斜切段由一个截面积不变的空心管道经过斜切形成，所述斜切段的入口与所述收缩段的出口形状相同、尺寸相等，所述斜切段的出口斜切。以切角与展向轴线的夹角即后掠角在45°到60°范围内为佳。

另一种改进，所述上壁面为平面或圆弧形的壁板，比如四边形平板，与所述斜切段出口的上壁面无缝连接，所述上壁面与所述斜切段的上出口壁面呈一定交角，该交角以15~20°为佳。所述下壁面为平面或圆弧形的壁板，比如四边形平板，与所述斜切段出口的下壁面无缝连接，所述下壁面与所述斜切段的下出口壁面呈一定交角，该交角以15~20°为佳。

另一种改进，优选的所述控制孔的总面积不超过所述壁面面积的10%，所述控制孔的形状可以为圆形、椭圆形、三角形、矩形等几何形状，出于加工简便，可采用圆形，如有散热隔热、隐身等特殊的需求，也可采用如椭圆形、三角形、矩形等几何形状。

另一种改进，所述上控制孔与所述上静压腔连通，所述下控制孔与所述下静压腔连通。所述上静压腔与上控制阀连接，所述下静压腔与下控制阀连接。所述上控制阀与所述下控制阀包括但不限于锥形阀、滑板阀、球阀或其他形式能够连续调节流量的阀门。所述流量控制阀都远离高温燃气，不易发生烧蚀、变形。所述流量控制阀内部及二次流的流道截面不发生突变，减少流体流经阀门和二次流动产生分离流动而引起的压力脉动。所述流量控制阀在喷管每一侧的数量可以为一个或多个，具体的数量由所需的阀门流通面积决定。优选的，每侧阀门的最大流通面积之和不应小于该侧控制孔总面积的一半。

所述楔形多控制孔式流体推力矢量喷管利用coanda效应与流体的三维效应产生连续可变的矢量推力。

所述楔形多控制孔式流体推力矢量喷管用于吸气式喷气发动机、非吸气式喷气发动机或涵道风扇的喷口发动机。

根据以上技术方案，该喷管工作原理为：在非矢量状态下，所述上控制阀和下控制阀完全开启，所述上静压腔和下静压腔均分别与大气连通。喷流从发动机喷出，进入所述收缩段，在高度方向上收缩，在展向上扩张，使原本呈圆形截面的发动机喷流转为扁平形状，并经过所述斜切段，保持扁平的截面形状。随后喷流经过所述斜掠coanda壁面上的所述控制孔，由于喷流与所述斜掠coanda壁面间产生了低压，外界的空气通过所述流量控制阀被吸入所述静压腔，穿过所述控制孔进入喷流与所述壁面间的区域，使所述斜掠coanda壁面上的压力升高，喷流保持离壁状态，与所述上壁面和所述下壁面的间距相等，不发生偏转，即推力方向不变。

控制喷流下偏状态下，与所述上静压腔相连的所述上控制阀开启，与所述下静压腔相连的所述下控制阀关闭。发动机喷流喷出时，喷流与上壁面间产生了低压。外界的空气通过所述上控制阀被吸入所述上静压腔，穿过所述上控制孔进入喷流与所述上壁面间的区域，使所述上壁面的表面压力恢复，喷流保持离壁状态。发动机喷流喷出时，喷流与下壁面间产生了低压。由于所述下控制阀关闭，外界的空气无法被吸入所述下静压腔，所述下静压腔保持低压并使得所述下控制孔也保持低压，所述下壁面表面压力降低，吸附喷流向所述下壁面靠近，喷流向下偏转，产生向上的推力分量。

控制喷流上偏状态下，与所述下静压腔相连的所述下控制阀开启，与所述上静压腔相连的所述上控制阀关闭。发动机喷流喷出时，喷流与下壁面间产生了低压。外界的空气通过所述下控制阀被吸入所述下静压腔，穿过所述下控制孔进入喷流与所述下壁面间的区域，使所述下壁面的表面压力恢复，喷流保持离壁状态。发动机喷流喷出时，喷流与上壁面间产生了低压。由于所述上控制阀关闭，外界的空气无法被吸入所述上静压腔，所述上静压腔保持低压并使得所述上控制孔也保持低压，所述上壁面表面压力降低，吸附喷流向所述上壁面靠近，喷流向上偏转，产生向下的推力分量。

所述楔形多控制孔式流体推力矢量喷管实现推力矢量角连续控制的原理为：通过调节所述流量控制阀的开度，可以使所述上控制孔和所述下控制孔处的压力差发生连续变化，导致主喷流两侧的压力差连续变化，引起喷流与所述上壁面和所述下壁面的距离与夹角连续改变，从而实现推力矢量角的连续控制。斜掠的壁面与壁面上的控制孔产生了流动的三维效应，削弱了附壁流体的敏感性，避免了现有基于coanda效应的流体推力矢量喷管常见的射流突然附壁、离壁和迟滞等不利于推力矢量控制的流动现象。

本发明的一种楔形多控制孔式流体推力矢量喷管，与现有的流体推力矢量喷管相比，在气动和结构上都有创新。在气动方面，本发明提供的流体推力矢量喷管利用了流动的三维效应，即通过斜掠壁面、多控制孔结构产生展向流动，削弱了流体的敏感性，使推力矢量角能连续变化。同时本发明提供的流体推力矢量喷管后掠外形能够加强外流与主喷流、二次流与主喷流的掺混，降低了排气温度，提高了喷管的隐身性能。

在结构方面，本发明提供的流体推力矢量喷管利用控制孔引入二次冷流，控制孔的结构不会随温度变化发生大的变形，且控制孔在制造时可直接在上下壁面上钻出或冲出，与当前的流体推力矢量喷管常用的狭缝结构相比有刚度好、制造简单的优势，并不易发生力变形，具有长期使用可靠性和稳定性。控制二次流流量的阀门连通外界气体与静压腔，并且距离高温喷流气体较远，与喷管内部的高温燃气和喷管壁面、收缩段等高温部件均不直接连接，不会发生烧蚀，寿命长，对材料的耐热性要求低，长期工作中稳定性和可靠性高。

附图说明

图1是本发明的楔形多控制孔式流体推力矢量喷管一个实施例的结构示意图；

图2是图1的喷管的主视图；

图3是图1的喷管（不包括收缩段）的俯视图；

图4是图1的喷管（不包括收缩段）的侧视图；

图5是图1的喷管（不包括收缩段）的前视图；

图6是图1的喷管（不包括收缩段）的后视图；

图7是图1的喷管（不包括收缩段）的等轴测图；

图8是图3的喷管（不包括收缩段）的a-a面剖视图，图中还显示了喷流和二次流在斜切段和静压腔中的流动情况；

图9是一种可选的锥塞式流量控制阀（阀门开启状态）示意图，该流量控制阀为锥形，能够减小阀门对二次流的扰动和阻力。本发明涉及的流量控制阀包括但不限于图9的阀门结构；

图10是图9锥塞式流量控制阀（阀门关闭状态）示意图；

图11是喷流不偏转，不产生推力矢量的状态图；

图12是喷流上偏的状态图；

图13是喷流下偏的状态图；

图14是阀门开度变化量与推力矢量角的关系。

在附图中：1-收缩段、2-斜切段、3-上控制阀、4-下控制阀、5-上静压腔、6-下静压腔、7-壁面、8-下壁面、9-上控制孔、10-下控制孔。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种楔形多控制孔式流体推力矢量喷管进行详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1至8所示，一种楔形多控制孔式流体推力矢量喷管，包括收缩段1、斜切段2、流量控制阀、静压腔、斜掠coanda壁面、控制孔。流量控制阀包括上控制阀3和下控制阀，静压腔包括上静压腔5和下静压腔6，斜掠coanda壁面包括上壁面7和下壁面8，控制孔包括上控制孔9和下控制孔10。收缩段1和斜切段2相连接。上控制阀3和下控制阀安装在斜切段2的一端，上壁面7和下壁面8位于斜切段2的另一端。上控制孔9设置在上壁面7，下控制孔10设置在上壁面7，上控制孔9和下控制孔10相对设置。通过控制流量控制阀的开度改变静压腔内的压强，从而改变控制孔的压强和斜掠coanda壁面上的静压，使发动机喷流与壁面的距离改变，导致喷流与对称轴线的夹角改变，产生矢量角连续可变的矢量推力。

如图2所示，各部分相互的位置关系如下：收缩段1出口与斜切段2入口密封连接，斜切段2出口与上壁面7和下壁面8无缝连接，上、下壁面7、8的安装完全对称。上壁面7与斜切段2的上侧外壁、斜切段2的左右侧壁共同组成上静压腔5；下壁面8与斜切段2的下侧外壁、斜切段2的左右侧壁共同组成下静压腔6。上、下静压腔5、6分别安装有上、下控制阀3、4。在上、下壁面7、8上靠近斜切段2出口的位置，开设有一排或数排控制孔，控制孔为通孔，连通静压腔与喷流；上壁面7上的控制孔为上控制孔9，下壁面8上的控制孔为下控制孔10。收缩段1入口为圆形，入口用于与发动机的喷口相连，收缩段1的出口为矩形。比如，吸气式喷气发动机、非吸气式喷气发动机或涵道风扇的喷口。

如图3至7所示，斜切段2由一个截面积不变的空心管道经过斜切形成，斜切段2的入口与收缩段1的出口形状相同、尺寸相等，斜切段2的出口斜切，切角与展向轴线的夹角即后掠角在45°到60°范围内。上壁面7为平面或圆弧形的壁板，比如四边形平板，与斜切段2出口的上壁面7无缝连接，上壁面7与斜切段2的上出口壁面呈一定交角。下壁面8为平面或圆弧形的壁板，比如四边形平板，与斜切段2出口的下壁面8无缝连接，下壁面8与斜切段2的下出口壁面呈一定交角。

为了达到更好的效果，控制孔的总面积不超过壁面面积的10%，控制孔的形状可以为圆形、椭圆形、三角形、矩形等几何形状，出于加工简便，可采用圆形，如有散热隔热、隐身等特殊的需求，也可采用如椭圆形、三角形、矩形等几何形状。

如图8所示，上控制孔9与上静压腔5连通，下控制孔10与下静压腔6连通。上静压腔5与上控制阀3连接，下静压腔6与下控制阀4连接。如图9和10所示，上控制阀3与下控制阀4采用锥塞阀形式进行流量调节，也可采用其它锥形阀，或者滑板阀、球阀或其他形式能够连续调节流量的阀门，但是要求阀门不会产出压力脉动。流量控制阀都远离高温燃气，不易发生烧蚀、变形。流量控制阀内部及二次流的流道截面不发生突变，减少流体流经阀门和二次流动产生分离流动而引起的压力脉动。流量控制阀在喷管每一侧的数量可以为一个或多个，具体的数量由所需的阀门流通面积决定，为了达到更好的效果，每侧阀门的最大流通面积之和不应小于该侧控制孔总面积的一半。

本发明中，楔形多控制孔式流体推力矢量喷管利用coanda效应与流体的三维效应产生连续可变的矢量推力。

如图11所示，上述一种楔形多控制孔式流体推力矢量喷管，在非矢量状态下，上控制阀3和下控制阀4完全开启，上静压腔5和下静压腔6均分别与大气连通。喷流从发动机喷出，进入1收缩段，在高度方向上收缩，在展向上扩张，使原本呈圆形截面的发动机喷流转为扁平形状，并流经2斜切段，保持扁平的截面形状。随后喷流经过上壁面7和下壁面8上的上控制孔9和下控制孔10，由于喷流与壁面间产生了低压，外界的空气通过上控制阀3和下控制阀4分别被吸进上静压腔5和下静压腔6，通过上控制孔9和下控制孔10分别进入喷流与上壁面7和下壁面8间的区域，使壁面上的压力升高，喷流与上壁面7和下壁面8的间距相等，保持离壁状态，不发生偏转，推力方向不变。同时外界空气经过控制孔、喷管的后缘，产生三维流动，与喷流发生掺混，降低喷流的温度，提高了红外隐身性能。

如图12所示，当控制喷流上偏时，与上静压腔5相连的上控制阀3关小，与下静压腔6相连的下控制阀4全开。当喷流经过下壁面8的下控制孔10，由于喷流与扩张的下壁面8间产生了低压，外界的空气通过下控制阀4被吸入下静压腔6，通过下控制孔10进入喷流与下壁面8间的区域，使下壁面8上的压力升高，喷流保持离壁状态。而喷流经过上壁面7的上控制孔9时，由于上控制孔9的压力降低，导致与之连通的上静压腔5压力降低，而关小的上控制阀3使吸入上静压腔5的外界气体流量减小，使上静压腔5的压力低于下静压腔6，导致上控制孔9的压力小于下控制孔10，使上壁面7的压力小于下壁面8，吸附喷流与上壁面7靠近，从而喷流上偏，产生向下的推力分量。

如图13所示，当控制喷流下偏时，与上静压腔5相连的上控制阀3全开，与下静压腔6相连的下控制阀4关小。当喷流经过上壁面7上的上控制孔9，由于喷流与扩张的上壁面7间产生了低压，外界的空气通过上控制阀3被吸入上静压腔5，通过上控制孔9进入喷流与上壁面7间的区域，使上壁面7上的压力升高，喷流保持离壁状态。而喷流经过下壁面8的下控制孔10时，由于下控制孔10的压力降低，导致与之连通的下静压腔6压力降低，而关小的下控制阀4使吸入下静压腔6的外界气体流量减小，使下静压腔6的压力低于上静压腔5，导致下控制孔10的压力小于上控制孔9，使下壁面8的压力小于上壁面7，吸附喷流与下壁面8靠近，从而喷流下偏，产生向上的推力分量。

通过控制上控制阀3和下控制阀4开度的连续变化，可以使吸入上控制阀3和下控制阀4的外界空气的流量连续改变，使上静压腔5和下静压腔6内的静压连续改变，引起上控制孔9和所述下控制孔10处的压力差发生连续变化，即喷流两侧的压力差发生连续变化，引起喷流与上壁面7和下壁面8的距离连续改变，产生连续可变的推力矢量角。

对上述的一种楔形多控制孔式流体推力矢量喷管进行具体的实验验证：

所述喷管具体参数为：电动涵道风扇作为动力源，喷流的速度约40~60m/s。收缩段出口的宽高比14。喷管上、下壁面的后掠角45°，壁面沿气流方向的扩张角为17°。上下壁面的前缘各有64个圆形控制孔，每侧控制孔的面积与该侧壁面面积之比为7.7%，每侧各有一个锥塞式流量控制阀，最大通气面积与该侧控制孔面积的比为1：1。该实施例所述的喷管参数为低速喷流条件下之优选，对于不同设计工况的喷管，其参数可以在本专利所述的范围内进行修改，在不脱离本发明原理的前提下，对喷管参数、控制阀门形式和数量作出的改动均属本专利保护范围。

本次验证中，所述的喷管推力矢量角的控制规律为：

y=22.5x3+0.35x2+0.18x…………..(0%<x<+80%)

y=-73.1x2+143.7x-56.3……………(+80%<x<+100%)

y=73.1x2+143.7x+56.3……………(-80%>x>-100%)

其中阀门完全打开时的s0为通气面积，sv为阀门实际开启的面积，x为阀门开度变化量，x=（s0-sv）/s0*100%，y为推力矢量角。

喷管的控制规律曲线见图14，横坐标x表示阀门开度变化量，纵坐标y表示推力矢量角。x为0，表示上控制阀3和下控制阀4完全开启；x为正，表示下控制阀4保持完全开启，上控制阀3关小，当x为+100%时，上控制阀3完全关闭，推力矢量角上偏达到最大值；x为负，表示上控制阀3完全开启，下控制阀4关小，当x为-100%时，下控制阀4完全关闭，推力矢量角下偏达到最大值。

在0~±80%范围内，控制曲线近似为三次曲线；当x超过±80%后，控制曲线趋缓，为二次曲线，最大推力矢量角达到14°。

图14所示的控制规律曲线1仅为本发明的一种楔形多控制孔式流体推力矢量喷管一个实验验证得到的，由多次重复实验得到，描述了推力矢量角与阀门开度变化量的对应关系的一种大致趋势。曲线2为现有其他形式的基于coanda效应的流体推力矢量喷管的一个实例，与本发明涉及的喷管相比，其控制存在推力矢量角发生突跳和严重的滞回。本发明解决了基于coanda效应的流体推力矢量喷管推力矢量角突跳和滞回问题，具有更好的工程实用性。

基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。