一种分布式无源流体推力矢量喷管

1.本发明涉及矢量喷管技术领域，尤其涉及一种分布式无源流体推力矢量喷管。


背景技术：

2.推力矢量技术可以大大提高飞行器的机动性和敏捷性，提高战机生存性能。目前世界上各战机上已经广泛应用的是机械式推力矢量技术，如美国f-22，中国歼-107战机等。机械式推力矢量主要依靠喷管的旋转或偏折来进行射流偏转控制，此实施方式决定了其需要复杂的机械结构，从而导致结构增重、机械偏转响应慢等缺点。与之相比，新式流体式推力矢量技术型面固定，通过流动控制的方式来控制主射流偏转。与机械式矢量技术相比，流体式矢量技术具有结构简单可靠，偏转相应快，结构增重小等优点，具有很强的工程应用价值。
3.但是，在流体推力矢量的研究中，往往研究的是较小宽高比（出口截面宽度与高度的比值较小）的喷管，主要用于提供飞机的推力和相应的辅助矢量偏转控制（如俯仰控制），大宽高比流体推力矢量喷管的应用较为罕见。另一方面，研究人员已经对流体推力矢量喷管的三维流动有一定的认识；但在控制上，依然将二维流动区域和三维流动区域一起进行控制，没有尝试对喷管进行分布式控制。
4.分布式流体推力矢量喷管具有两个突出的优点；第一、沿展向（垂直于推力和推力矢量的方向）将射流分区，各单元独立控制，使喷管的控制更加细分、控制策略更加多样，能够改善喷管的控制规律；第二、提供更丰富的控制力和控制力矩，如产生滚转力矩。


技术实现要素：

5.本发明提供一种分布式无源流体推力矢量喷管，喷管本身为一体化结构，依靠多个二次流道单元，引入无源二次流产生分布式推力。
6.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种分布式无源流体推力矢量喷管，包括射流入口、侧壁面、康达壁面和垂直于推力和推力矢量的方向分布的多个二次流道单元；所述侧壁面与射流入口相连，所述康达壁面是和射流入口有夹角平板，所述喷管为扩张型喷管，所述康达壁面与侧壁面、射流入口紧密连接，所述二次流道单元分布在康达壁面上，单元间相互独立且互不连通，所述二次流道单元包括流量阀、静压腔、控制孔，所述流量阀连通/阻断大气和静压腔，所述控制孔连通静压腔和主流。与现有的推力矢量喷管相比，保持着喷管主体结构一体化，实现了推力矢量控制的分布化，提供了更丰富的力和力矩控制能力。并且控制方式简单，结构轻便。
7.作为优选的一种技术方案，所述射流入口横截面为矩形，矩形宽度与高度之大于三。
8.作为优选的一种技术方案，所述康达壁面为壁面光滑的平直板，所述康达壁面、侧壁面和射流入口整体成型。
9.作为优选的一种技术方案，所述二次流道单元产生的二次流进入喷管内与主流发
生作用。
10.作为优选的一种技术方案，所述多个二次流道单元分布在康达壁面上，每个二次流单元间相互独立且不连通。
11.作为优选的一种技术方案，所述二次流道单元控制射流偏转的方式为：流量阀开启/关闭二次流道，控制大气和主流的连通/阻断，从而控制射流离壁/附壁。
12.作为优选的一种技术方案，所述二次流道单元用于控制局部射流产生偏转，产生局部推力矢量。
13.作为优选的一种技术方案，局部的推力矢量叠加组合成总体推力矢量；多个局部的非线性控制曲线按照控制策略进行叠加，形成整体的更加光滑线性控制曲线，从而改善流体推力矢量喷管的控制规律。喷管的控制特性曲线相较于传统的流体推矢喷管控制曲线更加平滑线性，起到了优化控制规律的作用。
14.本发明的有益效果是：本发明无需复杂的机械结构以及沉重的气源，依靠无源二次流产生推力矢量；将射流沿展向划分为多个单元进行独立控制，通过各控制单元的分布与组合，实现喷管整体更加细分的推力矢量控制效果；提供了更丰富的控制力和控制力矩，如滚转力矩；喷管的控制曲线相较于传统的流体喷管更加平滑线性，优化了控制规律。
附图说明
15.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。
16.图1是本发明一实施例提供的一种分布式无源流体推力矢量喷管的等轴侧视图；图2是本发明一实施例提供的一种分布式无源流体推力矢量喷管的正视图；图3是本发明一实施例提供的一种分布式无源流体推力矢量喷管的侧视剖视图；图4是本发明一实施例提供的二次流道单元控制主流离壁示意图；图5是本发明一实施例提供的二次流道单元控制主流附壁示意图；图6是本发明一实施例提供的滚转力矩工况的二次流道单元控制策略；图7是本发明一实施例提供的滚转力矩工况的喷管外部展向截面的速度云图；图8是本发明一实施例提供的滚转力矩工况的康达壁面1的测压曲线；图9是本发明一实施例提供的分布式控制优化控制规律效果图；其中，1-上康达壁面、2-下康达壁面、3-左侧壁面、4-射流入口、5-右侧壁面、61~610-第一~第十上单元流量阀、611-~620第一~第十下单元流量阀、71-~710第一~第十上单元静压腔、711-~720-第一~第十下单元静压腔、81-~810第一单元第十单上控制孔、811~820-第一~第十下单元控制孔。
实施方式
17.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。
18.本发明实施例提供一种分布式无源流体推力矢量喷管，如图1所示，包括射流入口4、侧壁面（包括左侧壁面3和右侧壁面5）、康达壁面（包括上康达壁面1和下康达壁面2）和二次流道单元。其中射流入口4的截面为矩形，矩形宽度与高度之比为二十五。康达壁面为平直板，长度为射流入口4高度的三倍，康达壁面与射流入口4的夹角为18
°
。二次流道单元由流量阀、静压腔和控制孔构成，流量阀位于康达壁面外侧，静压腔位于康达壁面上，控制空位于康达壁面内侧。流量阀可以控制静压腔和大气连通/阻断，控制孔连接射流和静压腔。每个二次流道单元包括位于同一展向位置，但分别位于上下两侧康达壁面上的两组流量阀、静压腔和控制孔。
19.如图3所示，一号二次流道单元由第一上单元流量阀61、第一上单元静压腔71、第一上单元控制孔81、第一下单元流量阀611、第一下单元静压腔711、第一下单元控制孔811构成；且第一上单元流量阀61和第一下单元流量阀611相互独立控制、第一上单元静压腔71与第一上单元控制孔81连通、第二上单元静压腔72与第二上单元控制孔82连通、第一上单元静压腔71与第二上单元静压腔72不连通、第一上单元控制孔81与第一下单元控制孔811不连通；同理，二号二次流道单元由第二上单元流量阀62、第二上单元静压腔72、第二上单元控制孔82、第二下单元流量阀612、第二下单元静压腔712、第二下单元控制孔812构成
……
本实施例共包括十个二次流道单元，二次流道单元间的静压腔不连通，且流量阀相互独立控制；如第一上单元静压腔71与第二上单元静压腔72不连通，第一上单元流量阀61与第二上单元流量阀62相互独立。
20.本实施例的工作原理：对于单个二次流道单元，当上下两侧的上单元流量阀和下单元流量阀同时处于开启状态时，射流将水平匀速的向下游流去，主射流逐渐变细。射流上下两侧的压力分布基本相同，可以将其认为是直匀流。此时，主射流具有一定的稳定性，当它受到小扰动而发生射流偏转时，偏转一侧的静压腔压力下降，该侧将引入更多无源二次流，使得射流回复为中立状态。如图4所示，当第一上单元流量阀61和第一下单元流量阀611都处于开启状态时，第一上单元静压腔71和第一下单元静压腔711都与大气连通。射流上下两侧条件对称，射流保持中立不发生偏转，该单元处于非矢量推力状态。
21.对于单个二次流道单元，当一侧的上单元流量阀或下单元流量阀关闭，而另一侧的流量阀开启时，主射流上下两侧就会产生压力差，射流发生偏转，产生推力矢量。如图5所示，第一上单元流量阀61关闭，第一下单元流量阀611开启时，第一上单元静压腔71与大气阻断，第一下单元静压腔711与大气连通。喷管上侧的大气无法通过第一上单元流量阀61、第一下单元静压腔71、第一上单元控制孔81进入喷管内部，即主射流上侧无法得到无源二次流的补充；而喷管下侧的大气可以经过第一下单元流量阀611、第一下单元静压腔711、第一下单元控制孔811进入喷管，主射流下侧获得无源二次流的补充。因此使主射流上侧压力低于下侧，使主射流向上偏转。在来流15m/s的条件下，图5所示状态可以产生+18
°
的推力矢量角。通过调整第一上单元流量阀61与第一下单元流量阀611的开度，使射流在-18
°
至+18
°
（指推力矢量角）范围内连续可控的偏转。
22.对于多个二次流道单元，相邻的二次流道机械结构上互相独立且互不连通，控制效果上存在着微小相互影响，通过增大二次流道单元宽度与射流入口高度的比值，可以减小该影响。本实施例中二次流道单元宽度为射流入口高度的2.5倍，在3m/s至30m/s的来流
条件下，二次流道单元控制效果近似于相互独立。
23.一种典型分布式推力控制工况如图6所示，第一上单元流量阀61、第二上单元流量阀62、第三上单元流量阀63、第四上单元流量阀64、第五上单元流量阀65为闭合状态，第一下单元流量阀611、第二下单元流量阀612、第三下单元流量阀613、第四下单元流量阀614、第五下单元流量阀615为开启状态；位于喷管左侧的第一、二、三、四、五号二次流道单元控制范围内，主射流向上偏转。第六上单元流量阀66、第七上单元流量阀67、第八上单元流量阀68、第九上单元流量阀69、第十上单元流量阀610为开启状态，第六下单元流量阀616、第七下单元流量阀617、第八下单元流量阀618、第九下单元流量阀619、第十下单元流量阀620为闭合状态，因此位于第六、七、八、九、十号二次流道单元控制范围内主射流向下偏转。该实施例实现左侧射流向上偏转、右侧射流向下偏转，推力矢量方向相反，提供滚转力矩的功能。
24.图7为使用七孔探针对喷管出口x/l=1.1截面（康达壁面与射流入口连接处x=0，x正方向为射流的流向，l为康达壁面长度）进行扫描，得到的速度分布云图。实验条件为来流15m/s，使用图6所示的控制策略。速度云图显示，第一、二、三、四、五二次流道单元控制范围内，射流明显向上偏转，主射流速度约为15m/s，射流剪切层速度有所下降，直至临近康达壁面的区域速度降低至0m/s。第六、七、八、九、十二次流道单元控制范围内，射流向下偏转，主射流速度约15m/s，射流剪切层速度有所下降，直至临近康达壁面的区域速度降低至0m/s。左右侧射流实现相互独立的反方向偏转，且速度分布具有对称性。
25.图8为康达壁面1的测压曲线，在x/l=0.2处（康达壁面与射流入口连接处x=0，x正方向为射流的流向，l为康达壁面长度）实验来流15m/s，控制策略如图6所示。测压曲线显示，左侧射流向上偏转，射流附壁，在康达壁面1上左侧产生了负压，左侧射流的平均壁面压力系数为-0.235；右侧射流向下偏转，射流离壁，在康达壁面1上右侧产生了微弱的负压，右侧射流的平均壁面压力系数为-0.003。在如图6所示工况下，喷管理论上可以产生5%*f*w的滚转力矩，f为喷管总推力，w为射流入口宽度。
26.图9为实施例分布式控制优化控制规律效果图。整体式控制的策略为第一至十号二次流道单元的控制阀门在相同时刻进行相同量的作动，模拟传统控制方式的单一控制机构，每次作动量为10%阀门闭合度，阀门闭合度定义为阀门的关闭面积/阀门的全部面积。阀门的作动顺序为：完全开启状态——逐步关闭——完全关闭——逐步开启——完全开启；整体式控制的控制曲线在“逐步关闭”过程的50%-70%阀门闭合度时发生了“突跳”，推力矢量角由3
°
迅速增加至18
°
；且
ꢀ“
逐步关闭”过程中60%阀门闭合度推力矢量角为3
°
，而“逐步开启”过程中60%阀门闭合度推力矢量角为18
°
，存在严重的迟滞现象。图中分布式控制的控制策略为位于喷管中心的第五、六单元控制阀门先作动；当五、六单元处于“逐步关闭”的过程时，第一、二、九、十单元跟随作动；当一、二、九、十单元处于“逐步关闭”的过程时，第三、四、七、八单元跟随作动；直至全部单元作动结束进入“完全关闭”状态；开启过程同理。该策略的核心思想为各单元依次经过“突跳”区域，将一次大的控制曲线“突跳”分解成多次小的“突跳”，使控制曲线尽可能平滑线性。分布式控制曲线“突跳”程度远远弱于整体控制的控制曲线；且最大迟滞为5
°
，也远小于整体式控制的15
°
。
27.本发明的有益效果是1、该分布式无源流体推力矢量喷管可以实现射流的局部偏转、和分布式偏转。作
为一种优选的实施例，可以在3m/s-30m/s速度的主流状态下，实现推力矢量控制；2、实施例通过单元流量阀控制局部射流产生推力矢量，在15m/s主流条件下，推力矢量角范围为-18
°
至18
°
；3、本实施例使用使用大气作为无源二次流，通过流量阀控制二次流的引入；无需外接气源，结构简单，易于控制；4、喷管可以实现推力矢量分布式控制，一种典型工况为喷管左侧射流下偏，同时右侧射流上偏；该工况可提供滚转力矩l=5%f*w，f为发动机推力，w为喷管入口宽度。
28.5、相较于传统控制方法，采用分布式控制使控制曲线更加光滑线性，减弱了曲线突跳和迟滞的问题。
29.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。

技术特征：
1.一种分布式无源流体推力矢量喷管，其特征在于，包括射流入口、侧壁面、康达壁面和垂直于推力和推力矢量的方向分布的多个二次流道单元；所述侧壁面与射流入口相连，所述康达壁面是和射流入口有夹角平板，所述喷管为扩张型喷管，所述康达壁面与侧壁面、射流入口紧密连接，所述二次流道单元分布在康达壁面上，单元间相互独立且互不连通，所述二次流道单元包括流量阀、静压腔、控制孔，所述流量阀连通/阻断大气和静压腔，所述控制孔连通静压腔和主流。2.根据权利要求1所述的一种分布式无源流体推力矢量喷管，其特征在于，所述射流入口横截面为矩形，矩形宽度与高度之大于三。3.根据权利要求1所述的一种分布式无源流体推力矢量喷管，其特征在于，所述康达壁面为壁面光滑的平直板，所述康达壁面、侧壁面和射流入口整体成型。4.根据权利要求1所述的一种分布式无源流体推力矢量喷管，其特征在于，所述二次流道单元产生的二次流进入喷管内与主流发生作用。5.根据权利要求1所述的一种分布式无源流体推力矢量喷管，其特征在于，所述多个二次流道单元分布在康达壁面上，每个二次流单元间相互独立且不连通。6.根据权利要求4或5所述的一种分布式无源流体推力矢量喷管，其特征在于，所述二次流道单元控制射流偏转的方式为：流量阀开启/关闭二次流道，控制大气和主流的连通/阻断，从而控制射流离壁/附壁。7.根据权利要求6所述的一种分布式无源流体推力矢量喷管，其特征在于，所述二次流道单元用于控制局部射流产生偏转，产生局部推力矢量。8.根据权利要求7所述的一种分布式无源流体推力矢量喷管，其特征在于，所述多个二次流道单元共同控制实现分布式推力矢量。9.根据权利要求8所述的一种分布式无源流体推力矢量喷管，其特征在于，位于喷管对称截面两侧的二次流道单元产生相反的推力矢量时，提供滚转力矩。10.根据权力要求7或8所述的一种分布式无源流体推力矢量喷管，其特征在于，局部的推力矢量叠加组合成总体推力矢量；多个局部的非线性控制曲线按照控制策略进行叠加，形成整体的更加光滑线性控制曲线，从而改善流体推力矢量喷管的控制规律。

技术总结
本发明公开了一种分布式无源流体推力矢量喷管，包括射流入口、侧壁面、康达壁面和多个二次流道单元。射流入口横截面为矩形，矩形宽度与高度比值较大；康达壁面是和射流入口有一定夹角的平板；二次流道单元分布在康达壁面上，单元间相互独立且互不连通；每个二次流道单元包括流量阀、静压腔、控制孔；流量阀连通/阻断大气和静压腔，控制孔连通静压腔和主流。每个二次流道单元内流量阀的联通/阻断控制局部主流离壁/附壁，从而产生局部推力矢量；多单元共同控制实现射流偏转分布式控制。与现有的无源推力矢量喷管相比，克服推力矢量控制规律非线性“突跳”和“迟滞”等问题。等问题。等问题。


技术研发人员：顾蕴松 李照 吴泽民 黄紫 史楠星 周宇航 邓帅
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/6/4