推力矢量喷管及其控制技术综述

推力矢量控制是第四代战斗机获得过失速机动性的必要条件,推力矢量喷管具有提供巨大的飞机性能收益的潜力。文中介绍轴对称矢量喷管和二元收-扩矢量喷管的结构,较详细地讨论了二元矢量喷管的控制机构、控制工作模态和控制系统。     

矢量喷管推力特性的风洞试验技术

该试验技术的研究包括喷流模拟器的研制、地面校准系统的研制、喷管天平数据修正方法研究以及风洞验证试验。研制的喷流模拟器内置喷管推力测量天平,设计了地面推力特性试验校准架,建立了地面试验系统。分析了影响喷管天平测量结果的附加刚度效应、压力效应和流动效应3个主要因素,通过地面校准架建立了相应的测量数据修正方法。针对特定喷管,开展了0°、5°、10°和15°四个偏转角度的喷管,在不同落压比下的推力和矢量角地面验证试验研究。进一步将喷流模拟器和喷管安装在模型上,在中国空气动力研究与发展中心的8m×6m低速风洞开展了落压比为3时的模型纵向气动特性试验研究。研究结果表明:以喷流模拟器为核心的喷管推力特性试验技术能够在地面和风洞试验中有效测量矢量喷管的推力大小、矢量角大小和对飞行器气动特性的影响量。从测量结果来看,落压比为2时,有效推力偏角最大,实际偏角为10°时的有效偏角可以增加3°。喷管偏转10°时,推力对模型的气动力影响最大,其中升力系数可以增加0.066。      

塞锥形状和偏转角对轴对称塞式喷管气动性能的影响

塞式喷管是1种具有质量轻、红外隐身效果好等优点的典型喷管.为分析矢量偏转角和塞锥的几何参数对涡扇发动机轴对称塞式矢量喷管排气系统气动特性的影响,采用CFD方法进行了数值模拟研究.结果表明:尾喷流随喷管偏转而有效偏转,推力系数随矢量偏转而减小,在高空状态下较为严重.在地面状态下偏转20°时的推力系数较无矢量偏转时减小了1.2％,在高空状态下偏转20°时的推力系数减小了2.5％;塞锥前体的导圆半径变化没有使气流分离,对气动性能影响不大;塞锥后体长度增加使喷管内部压力提升,塞锥尾缘低压区缩小.     

轴对称矢量喷管有效喉道调节方法

基于三维雷诺平均Navier-Stokes方程对轴对称矢量喷管内流场进行了数值模拟,分析了不同落压比下轴对称矢量喷管有效喉道及流量系数随矢量偏转角的变化规律.研究发现:矢量偏转角超过一定值时,轴对称矢量喷管有效喉道位置发生倾斜,有效喉道面积减小,流量系数降低,矢量偏转角越大落压比越低,流量系数降低幅度越大.根据研究结果提出了一种针对矢量偏转状态的轴对称矢量喷管有效喉道调节方法,方法以落压比和矢量偏转角为输入参数,考虑了轴对称矢量喷管几何喉道面积调节前后流量系数的变化.该调节方法能够为发动机控制系统提供更精准的输入,提高控制精度,矢量偏转前后流量相差不超过0.4%,调节时间缩短至少10%,可为推力矢量发动机工作状态调节提供参考.      

轴对称矢量喷管内流特性的不同湍流模型计算

利用二阶迎风格式，在采用三种不同湍流模型分别对轴对称矢量喷管三维内流场进行对比计算后，S-A-方程模型成为文中数值模拟中最有效的湍流模型，并将此模型计算的结果与模型试验结果进行了分析比较。研究结果表明，在矢量状态下，计算结果和试验结果相比，气动矢量角的相对误差不大于6％，流量系数的相对误差不大于l％，推力系数的相对误差不大于l％，所开发的计算方法可用于轴对称矢量喷管的工程设计。     

三轴承推力矢量喷管推力性能试验研究

针对三轴承推力矢量喷管推力测量的需求,介绍了自行搭建的六分力测量试验台的原理及特点,采用可变角度排气结 构消除排气干扰,采用对称并垂直进气方式与非接触密封结构相组合以消除进气附加气动力,根据六分力测量台架特点开发线性 解耦算法并应用于矢量推力数据处理。获取不同落压比下矢量推力随偏转角度的变化情况,并进行了不确定度分析。结果表明： 采用解耦算法后将试验台六分力测量的耦合误差减小到约1%;三轴承推力矢量喷管偏转角度减小时矢量推力损失也减小;当偏 转角度大于60°时,推力损失变大;随着偏转角度的增大,轴向力减小,俯仰力增大,且推力偏转角与三轴承推力矢量喷管偏转角一 致。将试验结果与相关研究结果进行对比,二者的变化规律相同。     

加装推力矢量喷管对飞机起飞性能影响研究

矢量喷管是实现推力矢量的关键部件,对矢量喷管的分类和设计方案进行了初步研究,在某型发动机上加装了轴对称矢量喷管,建立了起飞特性的数学模型,得出在不同状态下飞机起飞滑跑距离与推力矢量偏角之间的关系,对减小飞机起飞滑跑距离有重要意义。     

喷管面积比对推力矢量发动机特性的影响

针对矢量喷管出口面积独立无极可调控制的特点,采用数值仿真分析了偏转状态喷管面积比对矢量特性的影响机理,通过整机地面台架和高空台专项试验,获取了不同喷管面积比下推力性能、偏转推力损失、偏转效率、发动机匹配特性等数据。结果表明：非偏转状态发动机产生最大推力的喷管面积比小于气流完全膨胀对应的理论喷管面积比。发动机偏转推力损失随几何矢量角增加而增大,喷管面积比对偏转推力损失影响较小。地面台架状态相同几何矢量角下,矢量偏转效率随着喷管面积比的增大而降低,当喷管面积比达到一定值时,会出现气流分离使偏转效率进一步降低。在相同几何矢量角下,随着喷管面积比的增大,发动机节流状态转差减小,风扇工作线下移,靠近非偏转状态工作线,风扇裕度增加,工程应用中偏转状态的扩稳措施应考虑与喷管面积比的关联。     

带推力矢量的涡扇发动机实时数学模型研究

利用流场计算结果建立了轴对称矢量喷管的实是数学模型。将发动机部件热力参数间的关系用显式的解析式关系表示，从而去掉部件计算机的迭代过程，以此方法建立了涡扇发动机实时数学模型。在以上两个模型的基础上建立了带轴对称矢量喷管的涡扇发动机数学模型。利用此模型研究了矢量喷管对涡扇发动机工作参数的影响。结果表明，该模型可完成带推力矢量的涡扇发动机静态及动态计算，并可用于推力矢量控制研究。矢量喷管的偏转对涡扇发动机工作具有一定影响。     

喷管超音段壁面排气引射冷却方案气动特性研究

在常温条件下,对3种轴对称收扩喷管超音段壁面排气引射冷却方案(缝隙式气膜冷却、离散孔式气膜冷却和冲击—气膜组合式冷却)的气动特性进行了试验研究,得到了不同冷却方案的推力系数、壁面压力分布和抽吸特性以及冷却气流量对这些性能的影响。试验结果表明:与常规轴对称收扩喷管相比,采用排气引射冷却的喷管具有更好的推力特性,3种喷管的抽吸特性都优于轴对称基准喷管。      

轴对称矢量喷管机构优化设计

本文介绍了矢量推力技术的发展、现状和目前工程应用的主要矢量喷管方案。针对某轴对称矢量喷管，开发了优化设计程序，给出了建立数学模型、选择优化设计目标函数的一般方法。     

航空发动机推力矢量技术发展趋势分析

本文主要站在信息角度上,利用统计分析方法,阐述了航空发动机推力矢量技术的发展演变趋势。同时,借助于对轴对称推力矢量喷管的简要分析,与二元推力矢量喷管作了对比,对轴对称推力矢量喷管客观地进行了评价。     

基于数值模拟的轴对称矢量喷管性能预测数学模型

基于三维数值模拟，对不同轴对称矢量喷管在多种工作状态下的内外流场进行了研究，分析了扩张角及扩张段长度对喷管有效矢量角的影响.基于最小二乘曲面拟合理论，建立了自变量包括扩张角、扩张段长度/喉道直径、落压比/设计落压比、几何偏转矢量角的多变量轴对称矢量喷管性能预测数学模型，并根据已有实验数据，对该模型进行了验证结果表明:推力系数误差最大为0.41%，流量系数误差最大为1.58%，矢量角误差最大为1.76°.建立的数学模型通用性较强，实现了用统一的模型对不同喷管性能参数进行预测和分析，具有一定的工程意义.      

轴对称推力矢量喷管的静态内部性能分析

采用Jamson提出的有限体积法对4种结构的轴对称推力矢量喷管的内流场进行了数值分析，预测了其内流场性能参数，计算结果与参考文献符合的很好，表明该方法对建立轴对称推力矢量喷管的数学模型具有很高的模拟精度和较快的收敛速度。     

轴对称矢量喷管矢量运动控制参数分析

结合后摆式轴对称矢量喷管的运动结构 ,对矢量喷管的矢量运动控制参数及控制特点进行了初步分析 ,供航空发动机FADEC控制系统与推力矢量技术结合研究作参考。     

推力矢量喷管控制系统的数字仿真研究

结合某型发动机推力矢量喷管研制的实际工作,确定了轴对称推力矢量喷管的控制方案,建立了轴对称推力矢量喷管控制系统的数学模型,对此作了数字仿真研究。仿真结果表明:某型发动机推力矢量喷管控制方案是可行的,可满足发动机的性能要求。     

基于微型涡喷发动机热喷流的无源流体推力矢量喷管的控制规律

流体推力矢量喷管型面固定、活动部件少、结构重量轻，能够为高机动飞行器提供有效的飞行控制手段，但无源流体推力矢量喷管热喷流的偏转控制规律尚未完全掌握。为了推进无源流体推力矢量技术的实用化，本文设计研制了适用于微型涡喷发动机的耐高温喷管模型，对该喷管在微型涡喷发动机热喷流状态下的控制规律进行研究。利用非接触光学显示和测量手段——红外热成像拍摄和粒子图像测速（PIV）技术对主射流流动特性进行研究，获得流动矢量角随二次流控制阀门闭合度变化的控制规律；利用六分量盒式天平测力实验研究无源流体推力矢量喷管的力学特性，获得推力矢量角随二次流控制阀门闭合度变化的控制规律。研究结果表明：该构型喷管在微型涡喷发动机热喷流下主射流连续可控偏转，最大流动矢量角为-12.3°/12.3°，最大推力矢量角为-12.9°/12.8°，控制规律接近线性，不存在主射流偏转突跳问题。     

球形收敛调节片推力矢量喷管的发展

球形收敛调节片喷管(SCFN)是一种正在研制中的先进的轴对称/非轴对称混合式推力矢量喷管。简述了它的发展现状并总结了其结构特点,并指出,它是一种具有发展潜力的推力矢量喷管。     

矢量偏转对轴对称喷管性能的影响

采用有限体积法对不同偏转角和不同压比下的三维轴对称矢量喷管内外湍流流场进行数值模拟,结果表明:在相同压比下,轴对称喷管各性能参数与喷管偏转角基本成线性关系,并且在不同压比下偏转角对性能参数的影响不同,在小压比工况下偏转角对性能参数的影响大于大压比工况;在同一偏转角度下,随着喷管压比的增大,推力系数呈现出先减小后增大再减小的趋势,而矢量角却增大后减小.利用最小二乘曲面拟合技术,建立了该轴对称矢量喷管性能的数学模型,确定了各性能参数与压比及偏转角的多项式函数关系,逼近精度较高,具有一定的工程应用价值.     

喷管偏转对航空发动机特性影响的试验

通过整机地面试验的方法,对喷管偏转后发动机不同工作状态下各参数的分析,获得了矢量偏转时发动机推力损失、偏转效率、发动机工作特性变化等数据.试验结果表明:在相同高压转速下,随着几何矢量角的增大,发动机的推力损失增大,偏转效率先增大后减小;在相同几何矢量角下,随着转速的增加,发动机推力损失经历由增大到减小的过程,矢量喷管的偏转效率增大,但偏转效率均小于1;节流状态时发动机转速差随着几何矢量角的增大而增大,中间状态时发动机转速差不受几何矢量角的影响;发动机节流状态时的矢量偏转使风扇工作线上移,风扇裕度减小,工程应用中需考虑扩稳措施.