基于混合动力合成射流激励器的推力矢量控制系统和方法与流程

本发明涉及飞行器发动机推力矢量控制领域，具体涉及一种基于混合动力合成射流激励器的推力矢量控制系统和方法。

背景技术：

在传统的超超音速飞行器动力装置的设计中，发动机只能提供平行于机身轴向的动力，而飞行器的姿态调整需要靠气动舵面偏转所产生的非对称气动力矩来实现。随着推力矢量技术在飞行器姿态控制中的不断应用，飞行器的机动性得到了较大程度的提升。推力矢量技术是指通过改变发动机喷出气流方向来控制飞行器飞行姿态的一种方法。推力矢量技术由发动机推力的分量产生气动力矩，可以直接对飞行器的姿态进行控制，大大的提高了飞行器的机动性能。然而传统的推力矢量技术主要是机械式的被动流动控制，比如折流板，二元矢量喷管和轴对称矢量喷管等装置。这些技术还存在一些难以解决的问题，例如结构复杂、响应速度慢、推力损失大等。

随着流体技术的不断发展，专家们提出了许多流体式推力矢量装置的设计思路。流体式推力矢量装置是想借助于二股射流去影响主流的方向，从而达到推力矢量控制的目的。流体式推力矢量装置大致可以分为：激波矢量喷管、喉道偏斜喷管、合成射流喷管、coanda效应喷管和引射效应矢量喷管等。由于目前一般的流体式推力矢量装置仍然存在射流强度不高、对高超声速主流影响不明显、以及机械结构复杂不利于轻量化设计等不足，导致无法较好的满足超高声速飞行器的流动矢量控制的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于混合动力合成射流激励器的推力矢量控制系统和方法以解决上述问题。

实现本发明的技术解决方案为：一种基于混合动力合成射流激励器的推力矢量控制系统，其特征在于包括喷管和设置在喷管扩张段内外壁之间的多个混合动力合成射流激励器，所述混合动力合成射流激励器包括两个电极、一个压电振动薄膜、激励器腔体、电源和喉部喷管，所述压电振动薄膜设置在激励器腔体的前端面上，所述两个电极设置在激励器腔体内，所述电源与两个电极和所述压电振动薄膜连接，所述激励器腔体的出口通过喉部喷管与扩张段内壁面连通。

进一步地，所述喷管为拉瓦尔喷管，包括收缩段、喉部过渡段和扩张段。

进一步地，多个混合动力合成射流激励器对称布置在扩张段内外壁之间。

进一步地，所述混合动力合成射流激励器数量为8个。

进一步地，所述激励器腔体为圆柱体。

进一步地，所述喉部喷管的轴向方向与喷管轴线平行。

进一步地，所述混合动力合成射流激励器与喉部过渡段的距离为5-30cm。

进一步地，混合动力合成射流激励器还包括变压器m、电阻r、电容c、绝缘栅双极型晶体管igbt、开关s，所述电源包括直流电源e和交流电源vc，所述直流电源e的正极通过绝缘栅双极型晶体管igbt与变压器m的一端连接，所述直流电源e的负极与变压器m的一端连接，变压器m的另一端通过电阻r与电容c的两端连接，电容c的两端分别连接所述两个电极，所述交流电源vc通过开关s与压电振动薄膜的两端连接。

一种根据上述所述的基于混合动力合成射流激励器的推力矢量控制系统的矢量控制方法，根据飞行器所需的动力方向，使得与所述动力方向相反的混合动力合成射流激励器处于工作状态。

进一步地，所述混合动力合成射流激励器的工作方法包括通过控制绝缘栅双极型晶体管igbt使得所述两个电极在压电振动薄膜的排气状态下工作放电，在压电振动薄膜的吸气状态下不工作。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明根据不同飞行工况，可以通过调节不同混合动力合成射流激励器的开关、激励器放电频率、薄膜振动频率和单次放电能量控制激励器合成射流速度和涡量的大小，来控制主射流的偏转方向和偏转程度，为飞行器提供一定的力矩来改变飞行器的飞行姿态，等离子体合成射流激励器具有结构简单，响应频率快，射流速度快，无需气源供应装置的优点；

(2)在等离子体合成射流激励器的基础上添加了压电振动薄膜，不仅可以提高气体的回填率而且还能起到散热的作用，从而大大提高了合成射流激励器的持续性工作能力和使用寿命；

(3)混合动力合成射流激励器通过设置变压器m、电阻r、电容c以控制电容c的充放电，通过电容c为电极提供高压脉冲从而使其达到电离空气所需的击穿电压，通过设计直流电源e和交流电源vc分别控制电极和压电振动薄膜实现配合工作的状态。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明的基于混合动力合成射流激励器的推力矢量控制系统的结构示意图。

图2为未启动混合动力合成射流激励器时喷管内部流场示意图。

图3为启动喷管扩张段上部混合动力合成射流激励器时喷管内部流场示意图。

图4为启动喷管扩张段下部混合动力合成射流激励器时喷管内部流场示意图。

图5为混合动力合成射流激励器电路图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

结合图1-5，一种基于混合动力合成射流激励器的推力矢量控制系统，包括喷管1和设置在喷管1扩张段6内外壁之间的多个混合动力合成射流激励器2，所述混合动力合成射流激励器2包括两个电极8、一个压电振动薄膜7、激励器腔体9、电源和喉部喷管10，所述压电振动薄膜7设置在激励器腔体9的前端面上，所述两个电极8设置在激励器腔体9内，所述电源与两个电极8和所述压电振动薄膜7连接，所述激励器腔体9的出口通过喉部喷管10与扩张段6内壁面连通。

进一步地，所述喷管1为拉瓦尔喷管，包括收缩段4、喉部过渡段5和扩张段6。

进一步地，多个混合动力合成射流激励器2对称布置在扩张段6内外壁之间。

进一步地，所述混合动力合成射流激励器2数量为8个。

进一步地，所述激励器腔体9为圆柱体。

进一步地，所述喉部喷管10的轴向方向与喷管1轴线平行。

进一步地，所述混合动力合成射流激励器2与喉部过渡段5的距离为5-30cm。

进一步地，结合图5，混合动力合成射流激励器2还包括变压器m、电阻r、电容c、绝缘栅双极型晶体管igbt、开关s，所述电源包括直流电源e和交流电源vc，所述直流电源e的正极通过绝缘栅双极型晶体管igbt与变压器m的一端连接，所述直流电源e的负极与变压器m的一端连接，变压器m的另一端通过电阻r与电容c的两端连接，电容c的两端分别连接所述两个电极8，所述交流电源vc通过开关s与压电振动薄膜7的两端连接。

本发明的基于混合动力合成射流激励器的推力矢量控制系统的矢量控制方法，根据飞行器所需的动力方向，使得与所述动力方向相反的混合动力合成射流激励器2处于工作状态，所述混合动力合成射流激励器2的工作方法包括通过控制绝缘栅双极型晶体管igbt使得所述两个电极8在压电振动薄膜7的排气状态下工作放电，在压电振动薄膜7的吸气状态下不工作。

参照图1，发动机喷气从喷管1入口处进入经由收缩段4，过渡段5和扩张段6，从喷管出口3向外喷出。混合动力合成射流激励器2对称安装于喷管扩张段内壁四周，当需要使得发动机推力向某个方向偏转时，启动喷管扩张段内壁该方向上的激励器，在激励器外部形成具有大量涡环的射流，降低了扩张段该方向上的气压，导致发动机喷出气流向该方向偏转，起到推力矢量控制的作用。图中具体参数如下：喷管入口半径30cm，喷管过渡段半径5cm，喷管出口半径54.6cm，喷管壁厚4cm，激励器腔体直径4mm，激励器腔体高4mm，激励器出口直径1mm，压电振动薄膜厚0.3mm，激励器工作频率放电频率和振动频率4000赫兹，单次放电能量0.05焦耳，振幅0.35mm。

参照图2-4，当混合动力合成射流激励器不启动时，喷管内气流方向如图2所示。发动机产生的推力方向与喷管轴线平行，只能用来克服飞行器的阻力，为飞行器提高轴线方向的动力。当扩张段上部的混合动力合成射流激励器开启时，在激励器腔体内通过电极电离空气形成高温高压的等离子体气体。通过压电振动薄膜的挤压作用以及腔体内外压差的作用下将高温等离子气体排出腔内从而形成排气射流，当射流速度逐渐变为零时，腔体内压强低于外界环境压强，致使气体重新回填，在激励器出口处形成卷吸射流。排气射流和卷吸射流统称为合成射流。合成射流对主流的作用主要有三点：1、激励器工作引起的主流通道压强梯度形成的侧向力使得主流向合成射流一侧发生偏转；2、在激励器出口处，合成射流对主流的卷吸作用和引射作用，致使主流向合成射流一侧发生偏转；3、激励器出口下游，合成射流与主流自由剪切层发生相互耦合作用，致使主流向合成射流一侧发生偏转。激励器工作原理示意图如图3所示。当扩张段下部的混合动力合成射流激励器开启时，喷管内气流方向向下偏转，如图4所示。发动机产生的推力方向与喷管轴线方向成一定的角度，可以为飞行器提供动力和力矩，从而改变飞行器的飞行姿态。

参照图5，混合动力合成射流激励器的两个电极由高压直流电源供电，第一阶段绝缘栅双极型晶体管igbt关闭，在变压器中积攒能量。第二阶段，打开绝缘栅双极型晶体管igbt，变压器的能量转移到电容器上，从而使激励器两端的电压逐渐增大，直至击穿电压7.2kv。通过控制绝缘栅双极型晶体管igbt的频率来调节放电频率。混合动力合成射流激励器的压电振动薄膜由正弦交流电源供电，通过控制开关的闭合时机与等离子体放电相匹配，控制绝缘栅双极型晶体管igbt使得所述两个电极8在压电振动薄膜7的排气状态下工作放电，放电在激励器腔体9内产生等离子体后，通过压电振动薄膜7的排气动作将等包含等离子体的气体通过喉部喷管10排出至扩张段6，在压电振动薄膜7的吸气状态下两个电极8不工作，压电振动薄膜7通过吸气动作将气体吸入激励器腔体9，交流电源电压为300v。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。