一种采用作动控制与激波引流结构的轴对称矢量喷管

本发明属于矢量喷管设计，尤其涉及一种采用作动控制与激波引流结构的轴对称矢量喷管。

背景技术：

1、矢量推进最早是为满足无舵飞行器(火箭、太空飞行器等)的操纵要求(姿态控制)而发展的一种技术,它不仅能够为飞行器提供向前的推力,而且还能够在飞行器俯仰、偏航或横滚时提供推力。常见的矢量推力装置有燃气舵、摆动喷管﹑侧面开孔喷管等，燃气舵因工作条件恶劣,寿命短,多用于一次性使用的飞行器或试验机,而用于飞机的矢量推进装置主要是以摆动喷管为基础发展的矢量喷管。由于矢量喷管需要实现多角度，多面积比，一体化调节喷管结构尺寸，这对喷管整体的传动机构提出了新的要求。

2、目前，随着战机对飞行器性能的要求逐渐变高，现役主流的航空发动机内的喷管主流速度都逐渐由原来的亚音速向超音速开始转变。超音速喷管的研究受到了广泛地关注。然而，由于laval喷管在结构上与传统的收敛喷管有较大的不同，超音速工作状态与亚音速工作状态有着本质区别，超音速工作状态下由于喷管内部产生了激波，随后管内激波与喷管壁面边界层相互作用，当激波强度较强时，将会对主流产生较大影响，使得喷管流动损失增大，推力下降，喷管扩张段激波损失随激波数量增大而增大，故减少激波数量是降低激波损失的有效途径。超音速喷管中的复杂波系在主流的发展会导致主流压力、速度在收缩和扩张段呈区域化变化，复杂波系的壁面反射导致喷管主流出现逆压力梯度以及流动分离现象。在超音速喷管的研究中，减少激波对喷管气流的气动和换热的影响，以提高超音速喷管的冷却效率，减少喷管次流冷气量在总流量的占比是目前超音速喷管研究的一大重要方向。

技术实现思路

1、为解决现有场景中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种采用作动控制与激波引流结构的轴对称矢量喷管。

2、为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种采用作动控制与激波引流结构的轴对称矢量喷管，包括从前至后依次连接的喷管进口、收敛段、过渡段、扩张段和喷管出口，收敛段的内径从前至后逐渐缩小，扩张段的内径从前至后逐渐扩大，收敛段外部设置有收敛段调节装置，过渡段外部设置有过渡段调节装置，扩张段外部设置有扩张段调节装置，收敛段调节装置用于控制喷管进口的内径变化，过渡段调节装置用于控制扩张段与过渡段之间的角度，从而控制喷管出口朝向，扩张段调节装置用于控制喷管出口的内径变化，扩张段的内壁中设置有旁路通道，旁路通道前端开口于扩张段内壁面前部，旁路通道后端开口于喷管出口处，扩张段内壁面前部设置引流环，引流环与旁路通道连通，激波入射扩张段时，激波主流能正好进入引流环，经引流环进入旁路通道并经旁路通道的后端排出。

4、为优化上述方案，本发明进一步采取以下措施：

5、上述的过渡段包括在周向上交替连接的过渡段密封片和过渡段调节片，过渡段密封片和过渡段调节片组成环形结构，且过渡段密封片和过渡段调节片连接处密封，过渡段密封片和过渡段调节片均在轴向上可伸缩，过渡段调节装置包括过渡段控制环、若干个过渡段控制杆和若干个过渡段固定杆，过渡段控制环套在过渡段外侧，过渡段控制环通过若干个过渡段固定杆与过渡段调节片固定连接，过渡段控制杆为可轴向伸缩装置，过渡段控制杆的伸缩由外界控制装置控制，过渡段控制杆的一端铰接在过渡段控制环上，另一端与扩张段调节装置铰接，收敛段的收敛段调节片、收敛段密封片以及扩张段包括扩张段调节片、扩张段密封片均与过渡段密封铰接连接。

6、上述的过渡段控制杆和过渡段固定杆均等间距布设在过渡段控制环上。

7、上述的收敛段包括收敛段调节片、收敛段密封片和收敛段铰链，收敛段调节片与收敛段密封片在周向上交错分布，连接处密封，相邻收敛段调节片与收敛段密封片通过周向延伸的收敛段铰链相连，收敛段调节装置包括若干个作动筒、收敛段控制环、若干个收敛段控制杆和若干个收敛段拉杆，收敛段控制环套在收敛段外侧，每个作动筒对应一个收敛段控制杆，每个收敛段拉杆对应一个收敛段调节片，收敛段控制杆轴向设置，收敛段控制杆一端穿过收敛段控制环与作动筒固定连接，另一端固定在过渡段控制环上，作动筒为可伸缩装置，作动筒的动作端与收敛段控制环铰接，作动筒的动作端伸缩时，能推动收敛段控制环沿着收敛段控制杆移动，作动筒的伸缩由外界控制装置控制，收敛段拉杆一端与收敛段控制环铰接，另一端与收敛段调节片铰接。

8、上述的作动筒、收敛段控制杆和收敛段拉杆均围绕过渡段控制环等间距布设。

9、上述的扩张段包括扩张段调节片、扩张段密封片和扩张段铰链，扩张段调节片、扩张段密封片在周向上交错分布，连接处密封，相邻扩张段调节片与扩张段密封片通过周向延伸的扩张段铰链相连，扩张段调节装置包括扩张段控制环和扩张段控制杆，过渡段控制杆的一端固定在过渡段控制环上，另一端与扩张段控制环铰接，扩张段控制杆的数量与扩张段调节片的数量一一对应，扩张段控制杆为可轴向伸缩装置，扩张段控制杆的伸缩由外界控制装置控制，扩张段控制杆的一端铰接在扩张段控制环上，另一端与扩张段调节片铰接。

10、上述的过渡段控制杆、扩张段控制杆和作动筒均为电缸或气缸或油缸。

11、上述的引流环由若干个引流单元组成，引流单元与扩张段调节片的数量一一对应，引流单元固定在相应的扩张段调节片上，旁路通道设置在扩张段调节片的内壁中。

12、上述的引流单元的入口处面向气体来流，引流单元内设置有吸波体，所述的引流单元通过引流出口与旁路通道连通。

13、上述的扩张段设置有激波监测单元，激波监测单元包括检测芯片和检测探头，引流单元的入口处设置控制挡板，检测芯片与检测探头连接，检测探头安装在引流单元的入口处用于检测引流单元的入口处是否有激波，检测芯片与控制挡板信号连接，检测芯片用于接收检测探头的检测信号并控制控制挡板开合。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

15、本发明通过设计矢量喷管控制结构，可以对矢量喷管扩张段偏转角度、喷口面积进行多角度的调节，使其满足不同飞行状态，在此基础上在扩张段激波入射位置布置引流环，通过调节扩张段面积及角度，实现引流环相对于激波位置的调节，通过检测探头检测引流环是否位于激波入射位置，通过检测芯片操作控制挡板在合适时机开合，实现对激波流体的吸波处理，处理后流体经旁路通道向后喷出，降低了引流环的分流作用对主流推力产生的影响，在保证主流推力不变的基础上，降低激波的能量，降低激波对主流总压的影响。引流出口与旁路通道相连可以加快引流环内气体流出速度，提高引流环对带有激波的流体的吸入能力。旁路通道的外部可以包覆液冷循环管道，液冷循环管道通过热传导的方式吸收部分旁路通道内的气体温度，使从旁路通道喷出的流体由于温度低于喷管出口主流温度，可以对主流进行包裹，降低主流出口的红外辐射强度。

技术特征：

1.一种采用作动控制与激波引流结构的轴对称矢量喷管，包括从前至后依次连接的喷管进口（22）、收敛段（23）、过渡段（24）、扩张段（25）和喷管出口（26），所述的收敛段（23）的内径从前至后逐渐缩小，所述的扩张段（25）的内径从前至后逐渐扩大，其特征是：所述的收敛段（23）外部设置有收敛段调节装置，所述的过渡段（24）外部设置有过渡段调节装置，所述的扩张段（25）外部设置有扩张段调节装置，所述的收敛段调节装置用于控制喷管进口（22）的内径变化，所述的过渡段调节装置用于控制扩张段（25）与过渡段（24）之间的角度，从而控制喷管出口（26）朝向，所述的扩张段调节装置用于控制喷管出口（26）的内径变化，所述的扩张段（25）的内壁中设置有旁路通道（27），所述的旁路通道（27）前端开口于扩张段（25）内壁面前部，所述的旁路通道（27）后端开口于喷管出口（26）处，所述的扩张段（25）内壁面前部设置引流环（18），所述的引流环（18）与旁路通道（27）连通，激波入射扩张段（25）时，激波主流能正好进入引流环（18），经引流环（18）进入旁路通道（27）并经旁路通道（27）的后端排出。

2.根据权利要求1所述的一种采用作动控制与激波引流结构的轴对称矢量喷管，其特征是：所述的过渡段（24）包括在周向上交替连接的过渡段密封片（11）和过渡段调节片（12），过渡段密封片（11）和过渡段调节片（12）组成环形结构，且过渡段密封片（11）和过渡段调节片（12）连接处密封，所述的过渡段密封片（11）和过渡段调节片（12）均在轴向上可伸缩，所述的过渡段调节装置包括过渡段控制环（8）、若干个过渡段控制杆（9）和若干个过渡段固定杆（10），所述的过渡段控制环（8）套在过渡段（24）外侧，过渡段控制环（8）通过若干个过渡段固定杆（10）与过渡段调节片（12）固定连接，所述的过渡段控制杆（9）为可轴向伸缩装置，过渡段控制杆（9）的伸缩由外界控制装置控制，所述的过渡段控制杆（9）的一端铰接在过渡段控制环（8）上，另一端与扩张段调节装置铰接，所述的收敛段（23）的收敛段调节片（3）、收敛段密封片（4）以及扩张段（25）包括扩张段调节片（15）、扩张段密封片（16）均与过渡段（24）密封铰接连接。

3.根据权利要求2所述的一种采用作动控制与激波引流结构的轴对称矢量喷管，其特征是：所述的过渡段控制杆（9）和过渡段固定杆（10）均等间距布设在过渡段控制环（8）上。

4.根据权利要求3所述的一种采用作动控制与激波引流结构的轴对称矢量喷管，其特征是：所述的收敛段（23）包括收敛段调节片（3）、收敛段密封片（4）和收敛段铰链（7），所述的收敛段调节片（3）与收敛段密封片（4）在周向上交错分布，连接处密封，相邻收敛段调节片（3）与收敛段密封片（4）通过周向延伸的收敛段铰链（7）相连，所述的收敛段调节装置包括若干个作动筒（1）、收敛段控制环（2）、若干个收敛段控制杆（5）和若干个收敛段拉杆（6），所述的收敛段控制环（2）套在收敛段（23）外侧，每个作动筒（1）对应一个收敛段控制杆（5），每个收敛段拉杆（6）对应一个收敛段调节片（3），所述的收敛段控制杆（5）轴向设置，收敛段控制杆（5）一端穿过收敛段控制环（2）与作动筒（1）固定连接，另一端固定在过渡段控制环（8）上，所述的作动筒（1）为可伸缩装置，所述的作动筒（1）的动作端与收敛段控制环（2）铰接，作动筒（1）的动作端伸缩时，能推动收敛段控制环（2）沿着收敛段控制杆（5）移动，所述的作动筒（1）的伸缩由外界控制装置控制，所述的收敛段拉杆（6）一端与收敛段控制环（2）铰接，另一端与收敛段调节片（3）铰接。

5.根据权利要求4所述的一种采用作动控制与激波引流结构的轴对称矢量喷管，其特征是：所述的作动筒（1）、收敛段控制杆（5）和收敛段拉杆（6）均围绕过渡段控制环（8）等间距布设。

6.根据权利要求5所述的一种采用作动控制与激波引流结构的轴对称矢量喷管，其特征是：所述的扩张段（25）包括扩张段调节片（15）、扩张段密封片（16）和扩张段铰链（17），所述的扩张段调节片（15）、扩张段密封片（16）在周向上交错分布，连接处密封，相邻扩张段调节片（15）与扩张段密封片（16）通过周向延伸的扩张段铰链（17）相连，所述的扩张段调节装置包括扩张段控制环（13）和扩张段控制杆（14），所述的过渡段控制杆（9）的一端固定在过渡段控制环（8）上，另一端与扩张段控制环（13）铰接，所述的扩张段控制杆（14）的数量与扩张段调节片（15）的数量一一对应，扩张段控制杆（14）为可轴向伸缩装置，扩张段控制杆（14）的伸缩由外界控制装置控制，所述的扩张段控制杆（14）的一端铰接在扩张段控制环（13）上，另一端与扩张段调节片（15）铰接。

7.根据权利要求6所述的一种采用作动控制与激波引流结构的轴对称矢量喷管，其特征是：所述的过渡段控制杆（9）、扩张段控制杆（14）和作动筒（1）均为电缸或气缸或油缸。

8.根据权利要求6所述的一种采用作动控制与激波引流结构的轴对称矢量喷管，其特征是：所述的引流环（18）由若干个引流单元组成，引流单元与扩张段调节片（15）的数量一一对应，所述的引流单元固定在相应的扩张段调节片（15）上，所述的旁路通道（27）设置在扩张段调节片（15）的内壁中。

9.根据权利要求8所述的一种采用作动控制与激波引流结构的轴对称矢量喷管，其特征是：所述的引流单元的入口处面向气体来流，引流单元内设置有吸波体（20），所述的引流单元通过引流出口（21）与旁路通道（27）连通。

10.根据权利要求9所述的一种采用作动控制与激波引流结构的轴对称矢量喷管，其特征是：所述的扩张段（25）设置有激波监测单元，所述的激波监测单元包括检测芯片和检测探头，所述的引流单元的入口处设置控制挡板（19），所述的检测芯片与检测探头（28）连接，所述的检测探头（28）安装在引流单元的入口处用于检测引流单元的入口处是否有激波，所述的检测芯片与控制挡板（19）信号连接，所述的检测芯片用于接收检测探头（28）的检测信号并控制控制挡板（19）开合。

技术总结
本发明公开了一种采用作动控制与激波引流结构的轴对称矢量喷管，包括从前至后依次连接的喷管进口、收敛段、过渡段、扩张段和喷管出口，收敛段外部设置有收敛段调节装置，过渡段外部设置有过渡段调节装置，扩张段外部设置有扩张段调节装置，收敛段调节装置用于控制喷管进口的内径变化，过渡段调节装置用于控制扩张段与过渡段之间的角度，扩张段调节装置用于控制喷管出口的内径变化，扩张段的内壁中设置有旁路通道，扩张段内壁面前部设置引流环，引流环与旁路通道连通。本发明通过设置收敛段、过渡段和扩张段调节装置，实现了激波主流与引流环相对位置的调节，然后通过引流环与旁路通道的配合，有效降低激波带来的能量损失。

技术研发人员：张骏,曹广州,张勃,李驰
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15