扰流片推力矢量控制系统动态特性研究

针对固体火箭发动机的推力矢量控制系统的需求,分析了扰流片系统的工作原理,设计了圆弧型扰流片;根据扰流片的安装位置关系,推导了扰流片摆角与伸入喷管出口流场高度的关系式;对加载单个圆弧型扰流片的喷管三维流场进行数值模拟,得到扰流片产生气动力的大小随扰流片伸入流场高度的变化规律;并通过固体火箭发动机的点火试验,验证所设计的扰流片系统在阶跃响应和正弦加载下的动态特性.结果表明:扰流片推力矢量控制系统在最大偏转角度38°时,阶跃响应时间为55ms,最大偏差0.6°,超调量2.02％;偏转角8°时,正弦加载测得系统带宽10Hz.     

亚声速条件下外形参数对逆流矢量喷管性能影响的模拟研究

为逆流矢量喷管几何构型选取提供理论依据,采用数值模拟方法研究了零攻角亚音速条件下抽吸角、横向高度及垂直段高度等外套管外形参数对逆流推力矢量喷管内部流动结构及矢量性能的影响,得到了推力矢量角、合成推力系数、二次流流量比等随外形参数的变化规律。研究结果表明:抽吸角及外套管垂直段高度对逆流矢量喷管的推力矢量角变化均无大的影响,且抽吸角及外套管垂直段高度分别变化时,两者的最大矢量角和最小矢量角的角度差均不超过0.35°,合成推力系数均随两者增大而减小,抽吸角变化时合成推力系数在0.778左右,其变化值不超过0.001,垂直段高度变化时合成推力系数范围为0.77~0.84,而流量比受抽吸角及垂直段高度变化的影响均微小;横向高度较小时,主流易发生附体,随其增大,推力矢量角增加,最大值达7°,而合成推力系数随之减小,范围为0.75~0.87,抽吸二次流流向由同向转变为逆向,流量增大,最大流量比为2%;推力矢量喷管的整体性能较无外流时明显下降。     

固定几何气动矢量喷管气动性能数值仿真

为掌握固定几何气动矢量喷管气动性能,通过CFD数值模拟的方法,研究了主流落压比、扩张段二次流落压比、扩张段二次流角度和引射对固定几何气动矢量喷管轴向推力系数的影响;主流落压比、扩张段二次流落压比和扩张段二次流角度对矢量角的影响;主流落压比、喉道二次流落压比和喉道二次流角度对喉道控制率的影响。结果表明:随主流落压比增大轴向推力系数增大,矢量角减小,喉道控制率减小;随扩张段二次流落压比增大推力系数减小,矢量角增大;随喉道二次流落压比增大,喉道控制率增大;随扩张段二次流角增大轴向推力系数减小,矢量角略有减小;随喉道二次流角增大喉道控制率增大;随引射方式增加喷管推力系数增大。     

旁路式双喉道喷管气动矢量特性数值研究

旁路式双喉道喷管(BDTN)通过设置旁路通道即可实现稳定的推力矢量,无需增加额外的高压气源和次流系统,研究其推力矢量特性对于提高飞行器的机动性和敏捷性具有重要意义。采用数值方法对BDTN在不同落压比下的内外流场及其在高温高压环境下的内流特性进行数值仿真。结果表明:BDTN的流场结构与普通双喉道喷管(DTN)相仿,但矢量效果更好,可在推力系数为0.966的同时获得24.6°的推力矢量角;落压比(NPR)大于4时,随着入口总压的增加,喷管推力矢量角和推力系数均逐渐减小;在入口总温为3 000K、落压比为100时,喷管的推力矢量角减小至12.75°,推力系数减小至0.882,即高温高压的内流环境对喷管矢量性能具有很大的消极影响。     

轴对称双喉道气动矢量喷管内特性数值模拟

采用数值模拟方法,就轴对称双喉道气动矢量喷管主要几何参数对喷管内特性(气动矢量角、气动矢量效率、推力系数、流量系数)的影响进行了分析,并得到了一组内特性较优的喷管几何参数。结果表明,次流注入角、空腔收敛角、空腔长度等几何因素对喷管矢量特性影响较大,次流注入角、空腔扩张角等对喷管推力特性有较大影响。优选后的喷管矢量角可达15.5°,矢量效率达5.70°/1%,喷管推力系数为0.92。     

单边膨胀喷管气动和红外辐射特性数值研究

通过计算流体动力学/红外辐射(CFD/IR)数值模拟的方法,研究了单膨胀边倾角、喉道高度、侧壁长度和落压比(NPR)对单边膨胀喷管(SERN)气动性能和红外辐射特性的影响.研究结果表明:轴向推力系数随着单膨胀边倾斜角度增大而急剧减小,推力矢量角随着单膨胀边倾斜角度增大而增大;随着喷管落压比的增大,轴向推力系数先增大后减小,推力矢量角减小;随着喷管侧壁长度的增加,轴向推力系数可略微提高;单膨胀边对尾焰和喷管内壁有显著的遮挡作用,喷管下方的整体红外辐射仅为上方的10%左右;随着喷管落压比的增加,喷管上方的整体红外辐射降低.      

矢量喷管偏转对发动机推力的影响

建立了轴对称矢量喷管数学模型和带这种矢量喷的发动机数学模型,研究了矢量喷管偏转时引起的发动机推力的变化。研究结果表明：喷管有的效矢量角与几何矢量角近似成正比;喷管偏转角较小时,喷管的流量系数及发动机的总推力几乎不同几何矢量角变化,喷管偏转角较大时,喷管的流量系数及发动机的总推力随和何矢量角的增大三小;发动机的轴向推力随着几何矢量角的增大而减小,发动机的侧向推力随着几何矢量角的增大而增大。     

三轴承旋转喷管矢量偏转规律及流场特性研究

基于短距/垂直起降战斗机用三轴承旋转喷管的特殊设计要求,通过几何约束条件开展了三轴承旋转喷管型面设计方法及运动规律推导与研究,研究了非线性和线性两种喷管矢量角控制规律下的三段筒体随时间的旋转规律。根据小型涡轮喷气发动机的几何尺寸,利用发展的型面设计方法和喷管筒体旋转规律,设计了小尺寸三轴承旋转喷管,并利用CFD数值模拟技术对该喷管的流场特性进行了计算与分析。通过CFD数值模拟技术得到了不同矢量角下喷管的三维流动特性及不同落压比下的气动特性。结果表明:采用喷管矢量角非线性控制规律可以减少非线性控制变量,保证喷管机动性的前提下减小了喷管的设计难度和控制复杂度;基于小型涡轮喷气发动机设计的三轴承旋转喷管0°的推力系数较理想喷管低,90°的推力系数较理想喷管高,喷管在地面最大落压比下0°比90°推力系数高约1%。     

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。     

单边膨胀矢量喷管气动和红外特性研究

在实验数据验证的基础上,通过计算流体力学/红外辐射(CFD/IR)综合的方法,对不同落压比、不同几何矢量角下的单边膨胀喷管(SERN)进行分析。研究结果表明:喷管无几何矢量动作下,低落压比下的单膨胀边上过度膨胀是造成喷管推力性能急剧下降的原因;喷管在负矢量角下,过度膨胀加剧,推力性能降低;随着喷管几何矢量角绝对值的增加,矢量推力增加,但推力系数减小,喷管几何矢量角在±25°、喷管落压比在3~6的研究范围内,喷管推力系数最低为0.88左右,最高达0.98;喷管几何矢量角为5°时,喷流红外辐射强度最大,喷管矢量角偏离5°的程度越大,尾焰红外辐射强度越低,但是空间分布规律不变。随着喷管几何矢量角的改变,喷管整体红外辐射强度的空间分布规律发生改变,几何矢量角为负时,辐射强度值大的探测角度向下方移动,几何矢量角为正时,喷管整体红外辐射较强的位置分布在上方,由单膨胀边高温壁面以及喷管内腔的可视面积决定。     

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.      

燃气扰流片气动控制力特性研究

新一代先进型格斗空空导弹都广泛采用了推力矢量控制系统(TVC),扰流片式推力矢量控制装置是实现这一功能的重要技术之一。本文利用气动力计算理论,研究扰流片产生的侧向控制力以及轴向推力损失,同时研究了扰流片伸入高度、阻塞面积、喷管扩张半角等因素的影响,得到了一些重要结论。     

扩张段射流对旁路式双喉道喷管矢量特性的影响研究

为探究腔体扩张段射流对旁路式双喉道喷管气动矢量特性的影响,采用数值模拟方法对喷管在不同次流入射位置和次流压比下的内流情况进行仿真研究.结果表明:在扩张段引入次流能够改善喷管内流性能,随着次流入射位置后移,推力矢量角先增大后减小,推力系数逐渐增大且增幅渐缓;随着次流压比增加,喷管推力矢量角逐渐增加后基本保持不变,推力系数先增加后快速下降,而矢量效率先急剧上升后趋于平稳;改进后的喷管在最佳算例中得到推力矢量角为27.59°,推力系数为0.956,矢量效率3°/1％次流流量.     

二元双喉道射流推力矢量喷管流动参数影响的数值研究

采用数值模拟方法研究了不同流动参数对二元双喉道射流推力矢量喷管(Dual-throat fluidic Thrust-vectoring Nozzle,DTN)内流特性和推力矢量控制效果的影响。结果表明,DTN在非推力矢量情况下,NPR在3~4范围时,推力系数较大,达到0.968,而流量系数较小,仅为0.93;NPR再增大,推力系数迅速下降。在推力矢量情况下,落压比一定时,随着次流流量比的增加,推力矢量角增加,而流量系数、推力系数、推力矢量效率减小;次流流量比一定时,随着落压比的增加,推力矢量角减小,系统推力系数先增加后减小,流量系数略微增加。     

几何构型对逆流推力矢量喷管特性影响

采用数值模拟方法研究了几何构型对逆流推力矢量喷管内部流动结构及性能的影响.研究结果表明:主流未附体时,增大缝宽可提高推力矢量角,但同时却降低了合成推力系数,抽吸二次流流向由同向转变为逆向且流量逐渐增大;增大斜切角可致使推力矢量角减小,合成推力系数先增大后减小.随着斜切角的增大,抽吸二次流流向由逆向逐渐转变为同向二次流,流量比在2%以内,且呈先减小后增大趋势.     

激波诱导控制推力矢量喷管实验及数值计算

采用实验方法,通过在二元收敛-扩张喷管扩张段引入二次流喷射,开展了激波诱导控制的流体推力矢量技术研究.实验过程通过喷管上、下壁面压力测量及出口射流纹影观测,研究了主流压力、二次流喷射压力以及二次流喷嘴几何(缝或孔)对推力矢量喷管性能的影响.同时,结合数值计算方法,对各实验工况下的喷管流场进行数值模拟,获得了实验手段难以得到的流场数据和性能,对实验结果进行了辅助分析.初步研究结果表明:在给定的实验条件下,主流压力越高,喷管推力矢量角越小,同时推力系数越大;二次流压力越高,喷管推力矢量角越大,同时推力系数减小;同孔喷射相比,采用喷缝几何下的上壁面激波诱导分离点更趋于向上游移动,分离点后压升显著,射流穿透能力强,对主流的扰动强烈.      

轴对称双喉道流体控制矢量喷管三维数值模拟

对轴对称双喉道流体控制矢量喷管的流场进行了数值模拟,研究了喷管气动参数(主、次流落压比)对其内特性(流量系数、推力系数、推力矢量角和推力矢量效率)的影响,并与试验数据进行了对比.研究结果表明,在计算工况下,当喷管次流流量比恒定时,喷管推力矢量角随主流落压比的升高而降低,喷管流量系数和推力系数先是随主流落压比的升高而升高,在某-主流落压比时达到最大值,而后喷管推力系数随主流落压比的升高逐渐降低,流量系数则基本维持不变.当喷管主流落压比固定时,随着次流落压比的升高,推力矢量角也随之增加,推力系数无明显变化,而流量系数则呈下降趋势.     

一种基于引射效应的流体推力矢量新技术

流体推力矢量是一种利用流动控制技术实现推力转向的方法,针对现有二次流动控制推力矢量方案的不足,提出了采用引射方式的新型流体推力矢量技术,该技术在喷管套管内利用引射作用产生低压区使主流方向偏转,实现推力转向。并且可以通过限制流量的方法调节主喷流对单侧套管的抽吸程度,使得在喷管套管内产生不同的横向压力梯度,达到了矢量化控制推力转向的目的。运用这一概念设计了矩形矢量喷管,采用数值模拟方法验证了喷管的推力转向效果,探讨了该矢量喷管内喷流转向形成的流动机理,从推力损失、转向效率上对喷管的性能特点进行了分析。计算结果表明:该矢量喷管的最大推力转向角度达到24°,对应喷流附壁状态,在喷流附壁之前可以矢量控制的推力转向角为0°~13°,推力损失在1.5%~7.0%之间变化。最后根据该计算外形以1∶10比例加工了矢量喷管,运用高压气源进行了尾喷流偏转试验。试验表明该矢量喷管在设计状态能够实现射流矢量偏转,从原理上验证了该推力矢量方案的可行性。     

轴对称射流矢量喷管非矢量状态下推力特性研究

通过数值模拟,研究了非矢量状态下（射流流流量为零）轴对称射流矢量喷管在低落压比时（NPR≤3.5）,射流缝内形成的空腔流动对喷管推力特性的影响;利用这种影响来控制低落压比时喷管的气流分离位置,提高了喷管处于低落压比时的喷管推力系数;推力系数可以提高到0.90以上。因此合理布置双连通射流缝的位置,不仅有利于提高射流的推力矢量效率,而且有利于提高低落压比无次流时的推力系数,从而弥补射流矢量喷管几何固定带来的不足。     

基于激波控制的S弯二元矢量喷管数值模拟

为了掌握S弯二元矢量喷管的气动性能,采用CFD数值模拟方法研究了有无二次流喷射状态下S弯二元矢量喷管激波 诱导的工作机理,以及二次流喷射位置、主流落压比和二次流与主流总压比对S弯二元矢量喷管推力系数、矢量角、壁面静压的影 响。结果表明：在二次流流通面积不变、次流与主流流量比Ws/Wp≤6%的情况下,喷管上、下壁面分别喷射二次流产生的最大矢量 角分别为22.9°和15.9°;喷射位置对矢量角有较大影响,对推力系数影响不大,随着二次流喷射位置逐渐靠近出口,矢量角先增大 后减小;射流位置固定,随着主流落压比的增大,推力系数增大,当主流落压比从2增大到6时,推力系数最多提高17.9 %,矢量角 先增大后减小;随着二次流与主流总压比的增大,推力系数整体呈单调减小趋势,矢量角先增大后减小。