一种旁路式双喉道气动矢量喷管及其控制方法

本发明涉及飞行器推进系统设计领域，特别是一种旁路式双喉道气动矢量喷管及其控制方法。

背景技术：

1、推力矢量技术是目前先进战机必须具备的关键技术之一，该技术可以为飞行器提供额外的推力力矩，增大最大失速迎角，提高飞行器机动性和安全性。然而现役发动机和喷管的工作范围较窄，对于先进战机而言，对流量调节的需求愈发增加，特别是进行规避、截击、追赶、机动飞行时，不可避免地需要进行补燃加力，不仅如此，这些场合更需要推力矢量的增加，从而能够使战机尽可能占得先机。因此，具备在较宽工作范围下高效工作能力的推力矢量喷管装置对于未来飞行器具有重大价值。

2、目前，现役机械式推力矢量喷管大多依靠液压作动的鱼鳞片机械结构改变喉道面积，不仅匹配设计难度大，且机械结构复杂、笨重、可靠性差，成本极高，因此虽然最早出现，但很多设计仍就停留在理论阶段。因此，研究人员逐渐将目光转移到气动矢量喷管相关技术，相对于纯机械控制，通过二次流扰动主流产生推力矢量，结构简单，重量轻，可靠性强，成为了推力矢量技术的新的解决方案。

3、旁路式无源双喉道气动矢量喷管是近年来兴起的一种新型气动推力矢量技术，气体依次流过第一喉道前部收敛段、第一喉道、第二喉道前部扩张收敛段，最终从第二喉道流出，通过特殊设计旁路通道引二次流，于一喉道处扰动主流，再通过下游凹腔结构放大扰动，产生明显推力矢量。

4、但由于该喷管固定几何的特殊结构，只能根据发动机某特定工况进行设计，无法进行大范围的流量调节，考虑到现役战机发动机宽域工作以及补燃加力的需求，气动推力矢量喷管的大范围流量调节设计很有必要。

技术实现思路

1、本发明为了克服现有技术中存在的不足，提供一种旁路式双喉道气动矢量喷管及其控制方法，用于解决传统的具有流量调节功能的推力矢量喷管设计复杂、结构笨重，不适用于工程的技术问题。本发明采用可调三角块的特殊设计，结构简单、流量调节高效，可以实现该型喷管大范围流量调节，满足现役航空发动机的宽域工作需求。

2、为实现以上技术目的，本发明将采用以下技术方案：

3、一种旁路式双喉道气动矢量喷管，包括喷管本体，所述喷管本体包括等直段、凹腔扩张段和凹腔收敛段：

4、所述喷管本体的两个侧面均开设有三条导轨：可调三角块气动调节导轨、可调三角块几何快速调节导轨、可调三角块几何矢量补偿调节导轨；

5、所述等直段对称设有可调三角块，所述可调三角块两侧设有转轴，所述转轴滑动连接于三条所述导轨，所述可调三角块的底部设有旁路通道开关，所述旁路通道开关滑动连接于所述喷管本体；

6、两个所述可调三角块的顶点连线形成的面为喷管一喉道的截面，所述凹腔收敛段一侧的面为喷管二喉道的截面；

7、所述可调三角块的一侧形成一喉道前部收敛段；

8、所述可调三角块和所述喷管本体之间形成旁路通道，所述旁路通道包括旁路通道前段、旁路通道开关和旁路通道转折段；

9、定义所述喷管壁面的水平方向上的中心截面为喷管对称面。

10、优选的，所述双喉道气动矢量喷管为矩形、正方形、梯形或平行四边形的二元构型。

11、优选的，所述可调三角块通过作动机构进行旋转和平移。

12、优选的，所述可调三角块的大小可变。

13、优选的，所述可调三角块滑动连接于所述可调三角块几何快速调节导轨：当所述可调三角块向着所述喷管对称面进行移动时，所述喷管一喉道的截面面积减小，双喉道气动矢量喷管为小流量工况；当所述可调三角块远离所述喷管对称面进行移动时，所述喷管一喉道的截面积增加，双喉道气动矢量喷管为大流量工况。

14、优选的，在调节所述旁路通道开关时，通过调节可调三角块进行矢量微调：所述可调三角块滑动连接于所述可调三角块几何矢量补偿调节导轨，当所述可调三角块远离所述喷管二喉道的截面进行移动时，所述喷管一喉道的截面面积增大，补偿因为所述旁路通道开关矢量调节时产生的流量变化或相对大流量工况；当所述可调三角块向着所述喷管二喉道的截面进行移动时，所述喷管一喉道的截面面积减小，补偿因为所述旁路通道开关矢量调节时产生的流量变化或相对小流量工况。

15、优选的，所述可调三角块滑动连接于所述可调三角块气动调节导轨进行水平方向上的滑动：当所述可调三角块远离所述喷管二喉道的截面进行移动时，旁路通道转折段的出口面积增大，喷管一喉道的截面气动流通截面积增加，双喉道气动矢量喷管为高落压比工况；当所述可调三角块向着所述喷管二喉道的截面进行移动时，旁路通道转折段的出口面积减小，喷管一喉道的截面气动流通截面积减小，双喉道气动矢量喷管为低落压比工况。

16、优选的，所述可调三角块滑动连接于所述可调三角块几何快速调节调节导轨，可调三角块内侧尖点之间的距离l1与双喉道气动矢量喷管的进口高度h满足0.1914≤l1/h≤0.4886；在保证有效矢量效果的前提下，l1与h满足0.2783≤l1/h≤0.4283。

17、优选的，所述可调三角块滑动连接于所述可调三角块几何矢量补偿调节导轨，可调三角块内侧尖点之间的距离l1与双喉道气动矢量喷管的进口高度h满足0.2783≤l1/h≤0.3842。

18、优选的，所述可调三角块的顶点与喷管一喉道下游侧尖点水平距离l2与喷管进口高度h满足0.08753≤l2/h≤0.3501。

19、本发明的优点在于：

20、(1)本发明能够实现喷管的宽域流量调节，能够满足未来发动机对于高效推力矢量和大范围流量调节的需求。提高了装备该喷管的飞行器在高空高速、加力飞行和机动飞行时的性能，扩大飞行器的工作范围。

21、(2)本发明通过可调三角块几何和气动调节两种作动方式，可以基于喷管不同工作条件和需求，采用不同原理的调节方法，进一步增加该方法的泛用性。

22、(3)本发明所设计可调三角块通过平移、旋转进行调节，作动机构较为简单。

23、(4)本发明直接对喷管最小流通截面积进行调节，通过较小范围的作动即可满足较大的流量调节需求。

24、(5)本发明仅对喷管一喉道前的可调三角块进行调节，不改变一喉道后凹腔结构，不影响原喷管矢量调节规律，便于工程实践。

技术特征：

1.一种旁路式双喉道气动矢量喷管，其特征在于，包括喷管本体，所述喷管本体包括等直段(1)、凹腔扩张段(9)和凹腔收敛段(11)：

2.根据权利要求1所述的一种旁路式双喉道气动矢量喷管，其特征在于，所述双喉道气动矢量喷管为矩形、正方形、梯形或平行四边形的二元构型。

3.根据权利要求1所述的一种旁路式双喉道气动矢量喷管，其特征在于，所述可调三角块(4)通过作动机构进行旋转和平移。

4.根据权利要求1所述的一种旁路式双喉道气动矢量喷管，其特征在于，所述可调三角块(4)的大小可变。

5.根据权利要求1所述的一种旁路式双喉道气动矢量喷管的控制方法，其特征在于，所述可调三角块(4)滑动连接于所述可调三角块几何快速调节导轨(13)：当所述可调三角块(4)向着所述喷管对称面(2)进行移动时，所述喷管一喉道(5)的截面面积减小，喷管为小流量工况；当所述可调三角块(4)远离所述喷管对称面(2)进行移动时，所述喷管一喉道(5)的截面积增加，喷管为大流量工况。

6.根据权利要求1所述的一种旁路式双喉道气动矢量喷管的控制方法，其特征在于，在调节所述旁路通道开关(7)时，通过调节可调三角块(4)进行矢量微调：所述可调三角块(4)滑动连接于所述可调三角块几何矢量补偿调节导轨(15)，当所述可调三角块(4)远离所述喷管二喉道(10)的截面进行移动时，所述喷管一喉道(5)的截面面积增大，补偿因为所述旁路通道开关(7)进行矢量调节时产生的流量变化或相对大流量工况；当所述可调三角块(4)向着所述喷管二喉道(10)的截面进行移动时，所述喷管一喉道(5)的截面面积减小，补偿因为所述旁路通道开关(7)进行矢量调节时产生的流量变化或相对小流量工况。

7.根据权利要求1所述的一种旁路式双喉道气动矢量喷管的控制方法，其特征在于，所述可调三角块(4)滑动连接于所述可调三角块气动调节导轨(12)进行水平方向上的滑动：当所述可调三角块(4)远离所述喷管二喉道(10)的截面进行移动时，旁路通道转折段(8)的出口面积增大，旁路中二次流流速减缓，对主流冲击作用减弱，喷管一喉道(5)的截面气动流通截面积增加，双喉道气动矢量喷管为大流量工况；当所述可调三角块(4)向着所述喷管二喉道(10)的截面进行移动时，旁路通道转折段(8)的出口面积减小，旁路中二次流流速增加，对主流冲击作用增强，喷管一喉道(5)的截面气动流通截面积减小，双喉道气动矢量喷管为小流量工况。

8.根据权利要求5所述的一种旁路式双喉道气动矢量喷管的控制方法，其特征在于，可调三角块内侧尖点之间的距离l1与双喉道气动矢量喷管的进口高度h满足0.1914≤l1/h≤0.4886；在保证有效矢量效果的前提下，l1与h满足0.2783≤l1/h≤0.4283。

9.根据权利要求6所述的一种旁路式双喉道气动矢量喷管的控制方法，其特征在于，所述可调三角块(4)滑动连接于所述可调三角块几何矢量补偿调节导轨(15)，可调三角块内侧尖点之间的距离l1与双喉道气动矢量喷管的进口高度h满足0.2783≤l1/h≤0.3842。

10.根据权利要求7所述的一种旁路式双喉道气动矢量喷管的控制方法，其特征在于，所述可调三角块(4)的顶点与喷管一喉道(5)下游侧尖点水平距离l2与喷管进口高度h满足0.08753≤l2/h≤0.3501。

技术总结
本发明公开了一种旁路式双喉道气动矢量喷管及其控制方法，包括旁路式无源气动矢量喷管，所述喷管设计有可调节三角块，本发明将二元旁路式气动矢量喷管一喉道前收敛段，旁路通道前段和转折段内侧壁面构成的三角形结构设计为可调节三角块，通过几何调节一喉道最小几何截面积或气动调节一喉道最小气动流通截面积，从而改变喷管流量从而匹配发动机大范围工作需求。所述可调三角块由机理不同可以分为几何调节方法和气动调节方法。本发明在不影响旁路式气动矢量喷管原有矢量性能形况下，通过结构简单的可调三角块，解决喷管无法大范围调节流量的问题，进一步扩大了气动矢量喷管的应用场景。

技术研发人员：董晗,徐惊雷,黄帅,潘睿丰,张玉琪,兰炳松,李亦
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：2024/2/21