一种多级引射式一体化红外抑制器

1.本发明设计一种涡轴发动机排气系统红外抑制及其红外抑制方法，属于直升机涡轴发动机排气系统设计与红外抑制技术领域。


背景技术：

2.红外隐身技术是最早应用于武装直升机，同时也是其最关键的一项隐身技术；一方面，红外辐射特征是武装直升机的固有信号特征，武装直升机所用的涡轴发动机工作产生的大量热量，导致发动机热部件、排气尾焰均形成强烈红外辐射源，使其成为红外制导武器的目标；另一方面，近年来，红外制导武器不断升级，令直升机环境不断恶化；因此，降低发动机热部件和混合排气的红外辐射信号，是提升武装直升机生存力重要手段。
3.直升机采用涡轴发动机，排气不用于产生推力，因此可以利用高温高速排气所具有的动能引射外界冷空气进行冷热气流掺混，以实现降低尾喷流与高温壁面温度的目的，基于这一原理，红外抑制器应运而生。
4.从上世纪50年代开始，国内外研究人员针对直升机红外特征及其抑制技术开展了大量的基础和应用研究，共发展了3代红外抑制器。
5.第一代红外抑制器主要是为了对抗1-2.6μm波段红外制导武器的威胁，其基本原理是通过弯曲混合管遮挡发动机的高温部件来减小其高温壁面辐射；代表是法国小羚羊直升机，这类抑制器在遮挡发动机高温部件的同时能够降低其排气温度，但由于引射能力较弱，无法有效降低排气尾焰温度，使其对3-5μm波段的抑制效果不理想；但这也为第二代引射式红外抑制器奠定了基础；第二代引射式红外抑制器主要对抗3-5μm波段的威胁，并同时降低排气系统高温部件和高温排气的红外辐射；其原理是通过波瓣结构来利用发动机的排气动能抽吸环境冷气对高温排气进行掺混冷却，代表是阿帕奇ah-64直升机和海豚sa365c直升机，但是受结构的限制，其外露的外层混合管和混合排气依旧是高温热点；第三代红外抑制器具有3-5μm和8-14μm双波段的红外隐身功能；该红外抑制是在第二代红外抑制器的基础上发展而来的，它第一次将红外抑制技术和直升机机身总体设计相结合；本质上是采用异型混合管将引射式红外抑制系统埋入后机身内，充分利用旋翼下洗气流的掺混、冷却作用和机身的遮蔽、隔热作用来实现红外抑制；代表是rah-64直升机。
6.针对第三代红外抑制器展开研究有利于我国武装直升机升级换代，但是目前针对第三代红外抑制器研究相对匮乏，所以需要对一体化红外抑制器进行深入的研究。


技术实现要素：

7.本发明提供一种能有效降低排气系统红外辐射的直升机红外抑制器及其红外抑制方法；针对现有的红外抑制器，在本发明提供了一种多级引射式一体化红外抑制器，包括直升机后部机身、百叶窗、多级弯曲混合管和波瓣喷管；首先，在机身顶部设有百叶窗结构，一方面可以将机身外部的旋翼下洗气流导入机身内部，另一方面可以对机身内部的高温部件起到遮挡作用，进而减弱红外信号；其次，采用多级弯曲混合管，利用多级弯曲混合管内
部高温气体的动量，引射机身内部的旋翼下洗气流进入多级弯曲混合管中，进而和主流高温气体进行掺混，从而降低排气温度；流入弯曲混合管内的旋翼下洗气流还可以在多级弯曲混合管的壁面形成气膜，降低混合管壁面温度，并削弱弯曲混合管和机身之间的辐射换热，从而降低机身蒙皮的红外辐射；最后，将弯曲混合管的最后一级设置为非对称波瓣结构，增加末级弯曲混合管的气流引射能力，并加速末级弯曲混合管出口处高温排气与环境中气流和旋翼下洗气流的掺混，进而降低直升机尾喷流的红外辐射。
8.实现上述目的的技术方案是：
9.1.一种多级引射式一体化红外抑制器，包括后机身，多级弯曲混合管、波瓣喷管和百叶窗；所述的波瓣喷管由收缩段、直管段和波瓣段构成；收缩段截面为面积不断减小的圆形，直管段为面积不变的圆形，波瓣段为波瓣形状；波瓣段位于多级弯曲混合管中；百叶窗结构位于后机身顶部；多级弯曲混合管斜放入后机身中，多级弯曲混合管出口位于机身中部内凹平台上。
10.2.进一步的，所述的波瓣喷管的入口为高温排气的入口，高温排气经过波瓣喷管流入多级弯曲混合管中。
11.3.进一步的，所述的多级弯曲混合管，沿着混合管中气体流动方向，分为直管段、弯曲段和波瓣段；沿着气体流动方向，直管段截面始终为圆形，弯曲段截面则有圆形逐渐过渡到长条椭圆形，波瓣段的截面始终为波瓣形。
12.4.进一步所述的多级弯曲混合管的进口截面和出口截面夹角为90度。
13.5.进一步的，所述的百叶窗结构分为百叶窗叶片和固定百叶窗叶片的侧壁；
14.6.进一步的，所述的百叶窗叶片顶部和后机身顶部平齐，叶片底部平面和叶片顶部所在平面平行。
15.7.进一步的，所述的百叶窗叶片向波瓣喷管直管段中的气体流动方向偏转。
16.8.进一步的，所述百叶窗结构和旋翼下洗气流相连通，旋翼下洗气流通过百叶窗流入后机身内部。
17.9.进一步的，所述的经过百叶窗流入机身的旋翼下洗气流，一部分受多级弯曲混合管内部高温气体动量的影响，经过下述的引射通道流入弯曲混合管中，而被引射的旋翼下洗气流则通过位于直升机后机身中部内凹平台上的、长条椭圆形的旋翼下洗气流出口排出后机身，即旋翼下洗气流出口和多级弯曲混合管出口在同一平面上。
18.10.进一步的，所述的引射通道包括波瓣喷管外壁面和第一级弯曲混合管内壁面之间的狭缝通道。
19.11.进一步的，所述的引射通道还包括从第二级弯曲混合管开始，每一级弯曲混合管外壁面和前一级弯曲混合管内壁面之间的狭缝通道。
20.12.进一步的，所述的波瓣喷管外壁面和第一级弯曲混合管内壁面之间引射通道高度，大于后续各个引射通道的高度。
21.13.进一步的，所述的除了波瓣喷管外壁面和第一级弯曲混合管内壁面之间引射通道外，其余引射通道，沿着多级弯曲混合管中主流气体流动方向，高度处处相等。
22.14.进一步的，所述的引射通道进口截面和出口平面平行，即每一级弯曲混合管进口截面和前一级弯曲混合管出口截面平行，其中波瓣喷管的出口截面也和第一级弯曲混合管进口截面平行。
23.15.进一步的，所述的多级弯曲混合管的末级弯曲混合管由弯曲段和波瓣段构成。
24.16.进一步的，所述的末级弯曲混合管在弯曲段截面为长椭圆形，在波瓣段截面为波瓣形状。
25.17.进一步的，所述的末级弯曲混合管为非对称结构，沿着多级弯曲混合管倾斜的反方向，波瓣瓣长增加。
26.有益效果
27.本发明针对一体化红外抑制器，通过在机身顶部开设百叶窗结构，一方面可以将机身外部的旋翼下洗气流导入机身内部，另一方面可以对机身内部的高温部件起到遮挡作用，进而减弱红外信号；在机身内部设有多级弯曲混管，利用多级弯曲混合管内部高温气体的动量，引射机身内部的旋翼下洗气流进入多级弯曲混合管中，进而和主流高温气体进行掺混，以降低排气温度；流入弯曲混合管内的旋翼下洗气流还可以在多级弯曲混合管的壁面形成气膜，降低弯曲混合管壁面温度，并削弱弯曲混合管和机身之间的辐射换热，从而降低机身蒙皮的红外辐射；将弯曲混合管的最后一级设置为非对称波瓣结构，增加末级弯曲混合管的气流引射能力，并增强在末级弯曲混合管出口处，高温排气与环境中气流和旋翼下洗气流之间的掺混，进而降低直升机尾喷流的红外辐射。
附图说明
28.图1为本发明的多级引射式红外抑制器的整体示意图
29.图2为本发明波瓣喷管整体示意图
30.图3百叶窗结构的示意图
31.图4为本发明多级引射式红外抑制器的系统剖视图
32.图5为多级弯曲混合管某一截面示意图
33.图6为多级弯曲混合管剖视图
34.图7为多级弯曲混合管引射气流的示意图
35.图8为末级弯曲混合管的示意图
36.其中1为直升机后机身，2为百叶窗结构，3为波瓣喷管，4为多级弯曲混合管(4.1为第一级弯曲混合管，4.2为第二级弯曲混合管，4.3为末级弯曲混合管)，5为下洗气流出口，6为引射通道，7为高温排气入口。
具体实施方式
37.本发明提供一种多级引射式红外抑制器，为使本发明的目的、技术方案及效果更清楚明确，下面将结合本发明实施例中的附图，举实施例对本发明进行更加详尽的描述；应当指出此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
38.参照图1至图8所示，本发明提供一种多级引射式红外抑制器，包括后机身1，百叶窗结构2，波瓣喷管3和多级弯曲混合管4；
39.图2为波瓣喷管结构示意图，在本发明实例中，波瓣喷管3包括收缩段、直管段和波瓣段；收缩段截面为面积不断减小的圆形，直管段为面积不变的圆形，波瓣段为波瓣形状；直升机高温涡轮排气通过波瓣喷管3入口流入多级弯曲混合管4中。
40.图3为百叶窗结构示意图，在本发明事例中，百叶窗结构2位于直升机后机身1顶
部，百叶窗结构2由百叶窗叶片2.1和固定百叶窗叶片的侧壁2.2组成；百叶窗叶片2.1顶部平面和后机身1的顶部平面在同一平面上，百叶窗叶片2.1底部平面和百叶窗叶片2.2顶部平面平行；百叶窗叶片2.1向波瓣喷管3中直管段中高温气流流动方向偏转，进而可以对机身内部的高温部件进行一定程度的遮挡，从而减弱高温部件的红外信号。
41.图4为多级引射式一体化红外抑制器剖视图，在本发明实例中，弯曲混合管多级弯曲混合管4斜放在直升机后机身1内部，多级弯曲混合管4出口截面位于直升机后机身1中部的内凹平台上；沿着多级弯曲混合管4中高温气体流动方向，多级弯曲混合管分为直管段、弯曲段和波瓣段；直管段截面为圆形，弯曲段截面由圆形逐渐过渡到长条椭圆形，波瓣段截面为长波瓣形状。
42.图5为多级弯曲混合管某一截面示意图，图6为多级弯曲混合管剖视图，图7为多级弯曲混合管的前两级剖视图，在本发明实例中，多级弯曲混合管4中的第一级弯曲混合管4.1嵌套在波瓣喷管3上，第一级弯曲混合管4.1的内壁面和波瓣喷管3外壁面之间的所形成狭缝，即为引射通道6；第二级弯曲混合管4.2嵌套在一级弯曲混合管4.1中，即第二级弯曲混合管4.2外壁面和第一级弯曲混管4.1内壁面之间也存在引射通道6，；以此类推，以后每级弯曲混合管内壁面都和前一级弯曲混合管外壁面之间存在引射通道6。
43.在上述多个引射通道6中，除了第一级弯曲混合管4.1的内壁面和波瓣喷管3外壁面之间的引射通道6，其余各个引射通道6的高度沿着多级弯曲混合管中高温排气流动方向相等，第一级弯曲混合管4.1的内壁面和波瓣喷管外壁面1之间的引射通道6则大于上述引射通道6的高度；在同一引射通道6中，其出口平面和进口平面平行。
44.图8为末级弯曲混合管的示意图，在本发明实例中，末级弯曲混合管4.3，即为多级弯曲混合管4的最后一级；末级弯曲混合管4.1由弯曲段和非对称波瓣段两部分构成；沿着流动方向，弯曲段截面为长条椭圆形，非对称波瓣段截面为长波瓣形状，并且，沿着多级弯曲混合管倾斜反方向，波瓣长度增加。
45.本发明的多级引射式一体化红外抑制器的红外抑制原理如下:
46.旋翼下洗气流通过百叶窗结构2流入后机身1中，从涡轴发动机涡轮后排出的高温排气经过高温排气入口7进入波瓣喷管3中，波瓣喷管3中高温气体利用其动能，引射流入机身内部的旋翼下洗气流，经第一级弯曲混合管4.1和波瓣喷管1间引射通道6，进入第一级弯曲混合管4.1中；进入第一级弯曲混合管4.1中的旋翼下洗气流，会在弯曲混合管4表面形成气膜，降低多级弯曲混合管4壁面的温度，并减弱多级弯曲混合管和直升机机身表面的辐射换热，从而降低直升机后机身1表面和多级弯曲混合管4表面的红外信号；流入多级弯曲混合管4中的旋翼下洗气流还会和多级弯曲混合管4中的主流高温气体进行掺混，进而降低多级弯曲混合管4出口处高温排气温度，减弱其红外信号。
47.同理，高温气流流经第二级弯曲混合管4.2时，高温气流继续利用其动能引射机身内部的旋翼下洗气流，通过第二级弯曲混合管4.2和第一级弯曲混合管4.1之间的引射通道6，流入后续的多级弯曲混合管中，从而再一次降低直升机后机身1表面、多级弯曲混合管4表面和多级弯曲混合管4出口处的高温排气的红外信号；以此类推，高温气流流经后续各级弯曲混合管时，都会引射机身内旋翼下洗气流冷却自身，从而再度降低机身1表面、多级弯曲混合管4表面和多级弯曲混合管4出口处的高温排气的红外信号。
48.当高温气流从末级弯曲混合管4.1长波瓣形截面出口流出后，在末级弯曲混合管
4.3非对波瓣结构的影响下，高温排气会和经过位于直升机后机身1内凹平台上、长条椭圆形出口流出的、未被多级弯曲混合管4引射的旋翼下洗气流，以及机身1外部的环境空气发生快速掺混，从而增加红外辐射信号衰减速度，以达到抑制红外的目的。
49.最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。