机械辅助的流量可调喉道偏移式气动矢量喷管及其控制方法与流程

本发明涉及一种喉道偏移式气动矢量喷管及其控制方法。

背景技术：

随着科学技术的发展和实际需求的提高，未来飞行器对机动性能的要求越来越高，而作为提高飞行器机动性的主要手段，推力矢量喷管被越来越多地应用于航空发动机中。同时，为了满足飞行器在全飞行包线范围内的性能需求，对喷管的流量调节和补燃加力性能也提出了较高的要求。因此同时具有流量调节和推力矢量功能的喷管装置将会在未来高机动飞行器中受到更多地青睐。

目前，推力矢量喷管分为机械式和流体式两种，其中流体推力矢量喷管以其原理先进、结构简单且维护方便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。

喉道偏移式气动矢量喷管作为流体式推力矢量喷管中的后起之秀，凭借其优异的性能和良好的可实现性受到越来越多的青睐。而对于传统的喉道偏移式气动矢量喷管，由于其几何结构固定导致喉道面积不变，进而无法实现流量的调节。

技术实现要素：

本发明针对现有喷管无法实现流量调节的不足，基于喉道偏移式气动矢量喷管并结合流体力学知识及相关喷管设计方法，对传统喉道偏移式气动矢量喷管中内型面的结构进行了改进和再设计，使喷管内型面由几何固定的结构变为可移动部件，在工作过程中，根据需要通过调节相应构型来改变喉道的面积进而调节喷管流量，同时还可以达到机械辅助矢量的效果。

为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：

一种机械辅助的流量可调喉道偏移式气动矢量喷管，包括处于喷管上型面、喷管下型面之间的喷管内流道，该喷管内流道按照流体的流向依次设置有一喉道、二喉道；喷管内流道在紧靠着一喉道的位置处，通过布置主次流隔离块，分隔成沿着喷管主流道轴线布置的主流道以及处于喷管内流道壁面和主次流隔离块之间的次流道；所述主次流隔离块包括两块，对称地分布在喷管主流道轴线的上下两侧；各主次流隔离块的截面均呈内腔面积可变的空心三角状，且两三角状主次流隔离块的顶点相邻、底边相背设置；另外，主次流隔离块底边的两个端点中，与一喉道相邻的端点位置固定，余下的另一个端点以及主次流隔离块的顶点位置可动。

所述主次流隔离块具有三块移动板和三个铰链；三块移动板之间两两通过铰链铰接而围成三角状；所述主次流隔离块的三块移动板分别为可伸缩移动板、移动板c、移动板d，主次流隔离块的三个铰链分别为铰链a、铰链b以及铰链c；可伸缩移动板为主次流隔离块的底边，包括移动板a以及能够沿着移动板a伸缩的移动板b；移动板a通过铰链a与移动板c铰接；移动板b通过铰链b与移动板d铰接，移动板c与移动板d之间通过铰链c铰接，铰链c处于主次流隔离块的顶点位置处。

所述一喉道和二喉道之间的喷管上型面、喷管下型面均配装有凹腔型面结构。

凹腔型面结构具有三块移动板以及四个铰链；凹腔型面结构的三块移动板分别为移动板e、移动板f和移动板g；凹腔型面结构的四个铰链分别为铰链d、铰链e、铰链f和铰链g；移动板e的一端通过铰链d定位安装在一喉道出口位置处的喷管内流道的壁面，移动板e的另一端则通过铰链e与移动板f的一端铰接，而移动板f的另一端则通过铰链f与移动板g的一端铰接，移动板g的另一端则定位安装在二喉道出口位置处的喷管内流道的壁面；铰链e、铰链f位置可动，而移动板f与移动板g之间能够形成凹腔；可伸缩移动板与喷管内流道壁面之间的间隙形成次流道的进口段，而移动板e与移动板d之间的间隙形成次流道的出口段。

所述移动板d与移动板e相互平行设置，而铰链c与铰链e等高设置，铰链b与铰链d等高设置。

移动板a与移动板b通过交错搭接结构连接。

次流道的进口处安装有阀门。

本发明的另一技术目的是提供一种机械辅助的流量可调喉道偏移式气动矢量喷管的控制方法，包括：在非矢量状态下，通过闭合上下两个次流道进口处的阀门，关闭次流道；需要调节喷管内流道的流量时，同步移动主次流隔离块的各活动部件；铰链a沿着喷管内流道轴线的平动将带动铰链c相对于喷管内流道的升降运动，从而改变喷管一喉道面积，实现流量调节的目的；矢量状态下，根据矢量角的需求，差动打开上下两个次流道进口处的阀门，并差动控制上下两个主次流隔离块的各活动部件，使得上下两个主次流隔离块的顶点产生水平方向的位移，促使一喉道的物理位置产生偏移，达到辅助矢量的效果。

根据上述的技术方案，相对于现有技术，本发明具有如下的优点：

（1）通过对喷管内型面的改进和再设计，使得其可以根据工作状态的需要动态的调节以实现流量调节的功能。

（2）本发明通过控制上下次流通道的开度实现对于矢量角度的控制，通过控制主次流隔离块的运动实现对于喷管流量的调节。

附图说明

图1是本发明所述偏移式气动矢量喷管的结构示意图；

图中：1、喷管上型面；2、喷管下型面；3、主流道；4、次流道；5、一喉道；6、凹腔；7、二喉道；8主次流隔离块；8-1、铰链a；8-2、可伸缩移动板；8-3、移动板c；8-4、铰链c、8-5、移动板d；8-6、铰链b；9-1、铰链d；9-2、移动板e；9-3、铰链e；9-4、移动板f；9-5、铰链f；9-6、移动板g；9-7、铰链g。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)。

如图1所示，本发明所述的机械辅助的流量可调喉道偏移式气动矢量喷管，包括处于喷管上型面、喷管下型面之间的喷管内流道，该喷管内流道按照流体的流向依次设置有一喉道、二喉道；喷管内流道在紧靠着一喉道的位置处，通过布置主次流隔离块，分隔成沿着喷管主流道轴线布置的主流道以及处于喷管内流道壁面和主次流隔离块之间的次流道，同时所述一喉道和二喉道之间的喷管上型面、喷管下型面均配装有凹腔型面结构，其中：

所述主次流隔离块包括两块，对称地分布在喷管主流道轴线的上下两侧；各主次流隔离块的截面均呈内腔面积可变的空心三角状，且两三角状主次流隔离块的顶点相邻、底边相背设置；另外，主次流隔离块底边的两个端点中，与一喉道相邻的端点位置固定，余下的另一个端点以及主次流隔离块的顶点位置可动。

所述主次流隔离块具有三块移动板和三个铰链；三块移动板之间两两通过铰链铰接而围成三角状；所述主次流隔离块的三块移动板分别为可伸缩移动板、移动板c、移动板d，主次流隔离块的三个铰链分别为铰链a、铰链b以及铰链c；可伸缩移动板为主次流隔离块的底边，包括移动板a以及能够沿着移动板a伸缩的移动板b；移动板a通过铰链a与移动板c铰接；移动板b通过铰链b与移动板d铰接，移动板c与移动板d之间通过铰链c铰接，铰链c处于主次流隔离块的顶点位置处。

换句话说，主次流隔离块为可动部件，其中铰链a为主动件；移动板a为活动件，可以前后平移；移动板b和铰链b为固定件；移动板c和铰链c为活动件，其受到其他运动件影响而产生被动运动；移动板d为活动件，其可以绕铰链b转动。

所述次流道入口气流来源于喷管进口，次流道进口处设置阀门以调节次流流量。主次流隔离块中各部件几何尺寸根据实际需求设计选取，既需要考虑喷管矢量角的大小，还需要考虑喷管全工作压比内流量调节的范围，最终达到既可以产生气动矢量，又可以实现流量调节的功能。

所述凹腔型面结构具有三块移动板以及四个铰链；凹腔型面结构的三块移动板分别为移动板e、移动板f和移动板g；凹腔型面结构的四个铰链分别为铰链d、铰链e、铰链f和铰链g；移动板e的一端通过铰链d定位安装在一喉道出口位置处的喷管内流道的壁面，移动板e的另一端则通过铰链e与移动板f的一端铰接，而移动板f的另一端则通过铰链f与移动板g的一端铰接，移动板g的另一端则定位安装在二喉道出口位置处的喷管内流道的壁面；铰链e、铰链f位置可动，而移动板f与移动板g之间能够形成凹腔。可伸缩移动板与喷管内流道壁面之间的间隙形成次流道的进口段，而移动板e与移动板d之间的间隙形成次流道的出口段。所述移动板d与移动板e相互平行设置，而铰链c与铰链e等高设置，铰链b与铰链d等高设置。

换句话说，本发明凹腔型面结构中，铰链e为主动件；移动板e为活动件，可以绕铰链d转动。铰链g为固定件；移动板f、移动板g及铰链f为活动件，其受到其他运动件影响而产生被动运动。

为保证所述主次流隔离块运动时次流通道的密封效果，板a和板b采用交错搭接的方式。

工作原理：

非矢量状态下，本发明与传统的喉道偏移式气动矢量喷管的工作原理相同，此时本发明中喷管上下型线对称，上下次流道均关闭。当喷管流量需要增大时，通过安置于喷管侧壁面的驱动装置带动铰链a和移动板a水平向左移动；在铰链a的带动下，移动板c和铰链c在水平向左平移的同时也存在着绕铰链a的转动，此时移动板d在铰链c的带动下绕铰链b转动。为保证流量调节的精准性，移动板e需要绕铰链d转动并始终与移动板d保持平行。这里上下对称的各机构均作同步运动。这样的运动过后，铰链c在竖直方向会产生相应的位移，从而导致喷管喉道面积增大进而使喷管流量增加。当喷管流量需要减小时，喷管中相应部件作与前面所述相反的运动。

矢量状态下，本发明与传统的喉道偏移式气动矢量喷管的工作原理类似，差动打开，比如：喷管上次流通道关闭，下次流通道打开，气流从下次流道通过后在一喉道处注入主流道并对主流产生扰动。扰动在凹腔的作用下经过放大使得气流在喷管出口处产生低头矢量。当喷管流量需要增大时，通过安置于喷管侧壁面的驱动装置带动铰链a和移动板a水平向左移动；在铰链a的带动下，移动板c和铰链c在水平向左平移的同时也存在着绕铰链a的转动，此时移动板d在铰链c的带动下绕铰链b转动。为保证流量调节的精准性，移动板e需要绕铰链d转动并始终与移动板d保持平行。这里所有运动部件均为喷管上侧部件，喷管下侧各机构保持固定不动。当喷管流量需要减小时，运动部件均为喷管下侧部件，喷管上侧各机构保持固定不动。