具有短距/垂直起降功能的机械-气动复合式矢量喷管制造技术

本发明专利技术公开了一种具有短距/垂直起降功能的机械‑气动复合式矢量喷管，包括气动转向段及机械转向段；气动转向段包括轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管与过渡段；机械转向段包括筒体A、筒体B、轴承A、轴承B；沿着流体流向，筒体A、轴承A、筒体B、轴承B、过渡段、轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的进口顺序连接。通过两轴承机构的相对转动和喉道偏移式气动矢量喷管的气动转向作用，实现了机械结构不偏转90°的情况下气流偏转超过90°的功能，且可以通过气动矢量喷管在悬停状态下进行姿态控制，助力整个排气系统升力、推力和矢量角等关键参数的连续变化。具有结构简单、运动机构相对较少等诸多特点。

【技术实现步骤摘要】
具有短距/垂直起降功能的机械-气动复合式矢量喷管
本专利技术涉及具有短距/垂直起降功能的机械-气动复合式矢量喷管，属于航空发动机的先进推力矢量喷管

技术介绍
随着科学技术的发展和实际应用中的迫切需求，短距/垂直起降飞行器再次进入人们视野。传统的短距/垂直起降喷管结构复杂，模态切换过程控制难度大，难以维护。因此，有必要开发一种结构简单、重量轻、性能好、能满足高速飞行需要的短距/垂直起降排气系统。当下，流体推力矢量喷管逐渐以其结构简单、重量轻的特点成为各国的研究重点和研究热点，并将在不远的未来进入工程应用。其中，喉道偏移式气动矢量喷管是近年来兴起的一种新型流体推力矢量喷管，凭借结构简单，重量轻、矢量性能好等的特点，受到越来越多的青睐。常见的喉道偏移式气动矢量喷管为双喉道结构，以二喉道面积略微比一喉道面积大最为常见。其功能实现原理是，在一喉道处施加的扰动使得一喉道处气流的速度截面偏斜，进而扰动在二喉道前部扩张收敛段内放大，产生稳定的推力矢量。一般可以将喉道偏移式气动矢量喷管分为主动有源型和自适应无源型，其中主动有源型产生推力矢量气源的来源多为外置的压缩器、气瓶或者从航空发动机高压部件（多为压气机）中引气，其特点是推力矢量角随喷管工作落压比变化小，但对整台航空发动机来说推力损失较大；而自适应无源型则是通过设置自适应旁路通道将喷管入口位置的高压气流引至喷管的指定位置注入，自适应产生扰动并最终实现推力矢量，其克服了主动有源型的缺点，对航空发动机整机推力影响较小，矢量角也较为稳定。近年来，机械扰动式也成为该类别喷管矢量产生的扰动源之一，其矢量产生的机理与气动扰动一致，只不过将扰动来源由气流换成了机械扰动片，它可以解决传统使用气流注入产生扰动的喉道偏移式气动矢量喷管存在的随着工作落压比提高、推力矢量角减小的难题，且不管喷管工作落压比如何变化，在机械扰动片旋出角度固定的情况下，矢量角较为固定，极大地简化了该喷管与飞行器控制系统匹配的难题，且同时具备推力矢量控制和流量调节这两个功能，加大地简化了喷管结构，扩宽了喷管的工作包线。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术所述具有短距/垂直起降功能的机械-气动复合式矢量喷管，通过采用两轴承旋转喷管与喉道偏移式气动矢量喷管相结合的方式，共同实现垂直起降模态气流偏转的效果，既满足了飞行器平飞阶段高机动飞行的需要，又使得飞行器垂直起降功能实现更简单、更轻便，还可以为飞行器模态切换和悬停状态提供姿态控制，满足了飞行器垂直起降和平飞全任务包线的使用需要。具体地，在模态切换过程中和悬停过程中，通过喉道偏移式气动矢量喷管的气流偏转，实现飞行器姿态的控制；平飞模态，还可以通过喉道偏移式气动矢量喷管提高飞行器的机动性。通过上述手段，本喷管同时具备了推力矢量辅助高机动能力和高效、可靠、轻便的垂直起降能力，模态切换过程可靠、可控。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种具有短距/垂直起降功能的机械-气动复合式矢量喷管，其特征在于，包括气动转向段以及机械转向段；其中：所述的气动转向段，包括轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管与过渡段；所述的机械转向段，包括两段筒体和两个轴承，所述的两段筒体分别为筒体A、筒体B；两个轴承分别为轴承A、轴承B；沿着流体流向，筒体A、轴承A、筒体B、轴承B、过渡段、轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的进口顺序连接；过渡段实现筒体B出口到轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管进口的连续过渡；筒体A的进口端与发动机涡轮出口或加力燃烧室出口连接固定，而筒体B则能够相对筒体A绕着轴承A转动；轴承A所在截面与筒体A的轴线相垂直；轴承B所在截面与筒体A的轴线存在着夹角α，α的取值范围为15°≤α≤45°；气动转向段能够相对筒体B绕着轴承B转动；在垂直起降模态下，通过气动转向段、机械转向段的协同作用，从轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的出口排出的气流能够实现气流偏转的效果。在垂直起降模态下，通过气动转向段、机械转向段的协同作用，从轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的出口排出的气流能够实现气流偏转角度为95°。进一步地，筒体A的进口端、出口端的截面形状均为圆形；筒体B紧靠进口端的筒体截面形状沿流向呈圆形设置，而紧靠出口端的筒体截面形状则为椭圆形，且紧靠出口端的筒体斜切的截面为圆截面，以能够与轴承B相配合。过渡段紧靠进口端的部分沿流向的截面为椭圆形，且过渡段紧靠进口端的部分斜切的截面为圆截面，以与轴承B相配合；过渡段的出口端与轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管相配合，且所述喉道偏移式气动矢量喷管的内型面为典型轴对称/准轴对称双喉道结构。进一步地，轴承B所在截面与发动机轴线为夹角α，轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管在一喉道位置处采用机械扰动时能够产生最大矢量角β，夹角α、矢量角β满足：80°≤2α+β≤105°。进一步地，夹角α、矢量角β满足：90°≤2α+β≤100°，此时：15°≤β≤20°，35°≤α≤42.5°。进一步地，平飞模态下，机械转向段和气动转向段轴线共线，轴承B所在平面的法线、轴承B所在平面的法线与筒体A的轴线均在水平平面内；从轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管出口喷出的气流产生偏转仅仅依赖于轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管在一喉道位置处所施加的扰动，且气流产生的偏转存在于俯仰和偏航两个方向；在模态切换过程中和悬停状态下，筒体B相对筒体A旋转、过渡段相对筒体B旋转，且筒体B相对筒体A的转向与过渡段相对筒体B的转向相反；气动转向段通过轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管俯仰方向的控制作用，实现整个排气系统升力、推力和矢量角这些关键参数的连续变化；通过轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管偏航方向的控制作用，实现飞行器的稳定悬停或者姿态纠正；模态切换过程指平飞模态向垂直起降模态切换或者垂直起降模态向平飞模态转换。进一步地，在模态切换过程中和悬停状态下，筒体B相对筒体A旋转的角速度是过渡段相对筒体B旋转角速度的二分之一，以实现筒体A、筒体B及气动转向段均在竖直平面内运动。进一步地，筒体B紧靠进口位置处筒体的圆截面面积A2in和紧靠出口位置处的椭圆形截面的面积A2out满足：A2in≤A2out/（cosβ-δ），其中，δ为修正系数，取值为0.02~0.06；β为轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管在一喉道位置处采用机械扰动时能够产生的最大矢量角，当β=40°时，δ取值为0.04~0.05；筒体B紧靠出口位置处的椭圆形截面的长轴a和短轴b满足：a=b/cosβ，且0.5×a×b=A2out。进一步地，轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的进口面积为轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的一喉道面积的2.5倍以上；筒体B的圆截面面积A2in为90%-110%的轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的一喉道面积。有益效果：本专利技术提供的一种具有短距/垂直起降功能的机械-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有短距/垂直起降功能的机械-气动复合式矢量喷管，其特征在于，包括气动转向段以及机械转向段；其中：/n所述的气动转向段，包括轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管与过渡段；/n所述的机械转向段，包括两段筒体和两个轴承，所述的两段筒体分别为筒体A、筒体B；两个轴承分别为轴承A、轴承B；/n沿着流体流向，筒体A、轴承A、筒体B、轴承B、过渡段、轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的进口顺序连接；过渡段实现筒体B出口到轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管进口的连续过渡；/n筒体A的进口端与发动机涡轮出口或加力燃烧室出口连接固定，而筒体B则能够相对筒体A绕着轴承A转动；轴承A所在截面与筒体A的轴线相垂直；轴承B所在截面与筒体A的轴线存在着夹角α，α的取值范围为15°≤α≤45°；/n气动转向段能够相对筒体B绕着轴承B转动；/n在垂直起降模态下，通过气动转向段、机械转向段的协同作用，从轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的出口排出的气流能够实现气流偏转的效果。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有短距/垂直起降功能的机械-气动复合式矢量喷管，其特征在于，包括气动转向段以及机械转向段；其中：
所述的气动转向段，包括轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管与过渡段；
所述的机械转向段，包括两段筒体和两个轴承，所述的两段筒体分别为筒体A、筒体B；两个轴承分别为轴承A、轴承B；
沿着流体流向，筒体A、轴承A、筒体B、轴承B、过渡段、轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的进口顺序连接；过渡段实现筒体B出口到轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管进口的连续过渡；
筒体A的进口端与发动机涡轮出口或加力燃烧室出口连接固定，而筒体B则能够相对筒体A绕着轴承A转动；轴承A所在截面与筒体A的轴线相垂直；轴承B所在截面与筒体A的轴线存在着夹角α，α的取值范围为15°≤α≤45°；
气动转向段能够相对筒体B绕着轴承B转动；
在垂直起降模态下，通过气动转向段、机械转向段的协同作用，从轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的出口排出的气流能够实现气流偏转的效果。


2.根据权利要求1所述的具有短距/垂直起降功能的机械-气动复合式矢量喷管，其特征在于，在垂直起降模态下，通过气动转向段、机械转向段的协同作用，从轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的出口排出的气流能够实现气流偏转角度为95°。


3.根据权利要求1所述的具有短距/垂直起降功能的机械-气动复合式矢量喷管，其特征在于，筒体A的进口端、出口端的截面形状均为圆形；
筒体B紧靠进口端的筒体截面形状沿流向呈圆形设置，而紧靠出口端的筒体截面形状则为椭圆形，且紧靠出口端的筒体斜切的截面为圆截面，以能够与轴承B相配合。


4.根据权利要求1所述的具有短距/垂直起降功能的机械-气动复合式矢量喷管，其特征在于，过渡段紧靠进口端的部分沿流向的截面为椭圆形，且过渡段紧靠进口端的部分斜切的截面为圆截面，以与轴承B相配合；过渡段的出口端与轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管相配合，且所述喉道偏移式气动矢量喷管的内型面为典型轴对称/准轴对称双喉道结构。


5.根据权利要求1所述的具有短距/垂直起降功能的机械-气动复合式矢量喷管，其特征在于，轴承B所在截面与发动机轴线为夹角α，轴对称/准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管在一喉道位置处采用机械扰动时能够产生最大矢量角β，夹角α、矢量角β满足：80°≤2α+β≤105°。


6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄帅，徐惊雷，潘睿丰，张玉琪，宋光韬，陈匡世，曹明磊，成前，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32