一种用于二元喷管出口的低红外特征波瓣引射混合装置

摘要

本发明提供一种用于二元喷管出口的低红外特征波瓣引射混合装置，包含了矩形过渡段、波瓣段、波瓣过渡段和分开式冷、热流通道段，对于传统的二元喷管型面无法形成有效遮挡的排气系统内部高温部件（中心锥、支板、混合器），本装置特殊的波瓣型面和分开式冷热流通道内隔板可以形成有效遮挡，进而减小可探测到的这些高温部件的红外辐射，同时分开式冷、热流通道段将高温燃气流和引射的冷空气流分隔开来，有效的减小了引射冷空气流的阻力，保证了引射冷空气流的量是非常可观的，并在本装置出口冷、热起来掺混，大大降低了喷流温度，进而可以减小喷流的红外辐射。

说明书

技术领域

本发明专利涉及飞行器红外辐射特征的抑制技术领域，具体而言，主要涉及一种用于二元喷管出口的低红外特征波瓣引射混合装置。

背景技术

在当前复杂的电磁搜索探测环境和先进地空和空空武器装备的威胁下，飞行器的战场生存环境日趋恶化。如何提高战场上飞行器生存能力，并实施有效的对敌攻击，成为了现代战争急需发展的关键技术之一。据统计，上世纪80年代以来的几次空战中，被红外制导导弹击落的飞机占战争中所有被击落飞机总数的70~80%，各国飞行器均面临着近距格斗红外空空导弹的威胁，其中主要是第三代红外空空导弹的威胁。而且随着第四代红外空空导弹的快速发展，其威胁也日趋加剧。面对日益严重的红外制导导弹及红外探测系统的威胁，为了寻求对策以提高飞行器的作战效能及战场生存力，世界各国陆续对飞行器红外隐身技术展开了研究。

红外隐身技术是对抗红外探测手段的一项综合技术，通过采用相应的技术方法，降低武器装备的红外热辐射，减少被对方红外探测器发现的概率。目前在役的红外制导导弹或者红外探测系统的探测器都以3～5μm波段为主要工作波段，而排气系统是飞行器在3～5μm波段内的主要红外辐射源，包括喷管内部高温固体壁面的红外辐射和燃气的红外辐射，它在该波段内对飞行器红外辐射的贡献达到90％以上。因此，排气系统的红外辐射应该是飞行器红外辐射抑制的首要对象，是实现飞行器红外隐身必须要解决的主要问题之一，对飞行器的作战性能和战场生存力具有重大影响。

喷管是飞行器排气系统的主要部件，其主要功能是将涡轮后的高温、高压燃气膨胀加速并排出，从而产生发动机的推力。传统的喷管通常为轴对称式，其优点是结构简单，推力特性好，但隐身性能差。由于喷管内部的高温壁面直接暴露在后视范围内，使得飞行器的尾向红外特征变得尤为明显，并且其尾喷流高温核心区长，温度高，辐射范围大，是先进红外制导武器的主要追踪目标。对发动机的喷管采取隐身设计是实现排气系统红外隐身的主要技术途径之一，与传统的轴对称喷管相比，喷管结构的改进设计包括很多种，如采用二元喷管或者异形出口喷管。二元喷管相对轴对称喷管在喷管出口等面积的条件下增大了尾喷流和外流的接触面积，加强了两者的掺混，降低了尾喷流的温度，同时在一定的方向上，二元喷管能够对喷管内部的高温固体壁面进行有效的遮挡，从而抑制了排气系统的红外辐射特征。其次是采用引射技术，利用主喷管的高能量燃气抽吸低能量冷空气至引射喷管的混合段处，最后两股气流在混合段内掺混，降低喷管内固体壁面的温度和燃气流的温度，缩短尾喷流高温核心区长度，同时部分探测角方向角范围内引射套管能够对喷管内高温固体壁面进行遮挡。另外还有其他隐身设计如混合器采用波瓣式，在喷管内部安装导流叶片或者辐射对流换热板，或者采用冷气对喷管内高温壁面进行冷却等，其最终的目的就是加强气流的掺混和壁面的换热，达到降低温度的作用，从而降低红外辐射。

对于二元引射喷管的研究，国外Choi等（ChoiYH，SohWY.Computationalanalysisoftheflowfieldofatwo-dimensionalejectornozzle[R].AIAA-90-190，1990）对二元引射喷管两个控制参数（面积比和引射总压比）的变化影响进行了研究。国内也有对二元引射喷管的研究，刘福城（刘福城，吉洪湖，林兰之，黄伟，刘常春，斯仁.二元引射喷管几何特征参数对推力及红外的影响[J].航空动力学报，2011,06:1244-1250）通过数值模拟研究了二元引射喷管几何特征参数（间距比和面积比）对推力和红外特征的影响。

从现有文献来看，目前传统的二元引射喷管（如长套管二元引射喷管、短套管二元引射喷管等）其主要型面特征为在二元喷管出口套上当量直径略大的二元筒体，这样得到的二元引射喷管，首先对对喷管内部高温部件的遮挡效应的增强十分有限，即对固体壁面的红外辐射抑制效果十分有限；其次，喷管高温燃气流与喷管外引射的冷空气流在喷管出口的截面位置就开始掺混，引射的冷空气流没有单独的引射通道，引射冷空气流的阻力比较大，导致引射喷管外冷流空气的量也是很有限的，因此传统的引射喷管对喷流红外辐射的抑制效果也是比较有限的。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种在保证较高气动性能的前提下，可以明显降低发动机红外特征的用于二元喷管出口的低红外特征波瓣引射混合装置。

本发明提供的用于二元喷管出口的低红外特征波瓣引射混合装置，包括依次连接的矩形过渡段1、波瓣段2、波瓣过渡段3和分开式冷热流通道段4，在所述波瓣段2内设置有若干连续的波瓣结构，所述波瓣结构通过波瓣过渡段3平滑连接到分开式冷热流通道段4，每个波瓣结构通过波瓣过渡段3对应连接有隔板14；所述隔板14沿装置轴向方向竖直设置贯穿整个分开式冷热流通道段4，将冷热气流分隔开，形成交替分布的引射冷气流通道13和高温燃气流通道15。

进一步的，所述波瓣结构包括以装置横向中间截面镜面对称的一对波瓣单元，每个波瓣单元包括外扩张波瓣11、内扩张波瓣10以及连接内、外扩张波瓣的波瓣连接曲面12，每个波瓣连接曲面12大致以竖直方向设置，并通过波瓣过渡段3平滑连接一个隔板14；

所述内、外扩张波瓣以其在装置内的位置决定，靠近装置外侧的为外扩张波瓣11，靠近装置横向对称面的为内扩张波瓣10；两端的波瓣为外扩张波瓣11，则波瓣段2包括n对上下对称的外扩张波瓣11，以及包括n-1对内扩张波瓣10；

对称的外扩张波瓣11对应在分开式冷热流通道段4处形成高温燃气流通道15，对称的内扩张波瓣10对应在分开式冷热流通道段4处形成冷气流通道13。

更进一步的，定义矩形过渡段1的进口当量直径为D1，进口截面5面积为A1，宽高比为AR，宽度为L5；定义波瓣段2出口截面7面积为A2,波瓣过渡段3出口截面8面积为A3，分开式冷热流通道段4出口截面9面积为A4；

定义矩形过渡段1轴向长度为L1，波瓣段2轴向长度为L2，波瓣过渡段3轴向长度为L3，分开式冷热流通道段4轴向长度为L4；

定义外扩张波瓣11末端的半径为R1,内扩张波瓣10末端的半径为R2，上下对称的波瓣连接曲面12在波瓣段2出口截面7的高度为L6，上下对称的波瓣过渡段3出口截面8处的高度为L7；冷气流通道13的宽度为L9，高温燃气流通道15的宽度为L8；

定义矩形过渡段1的进口当量直径D1、面积A1、宽高比AR及宽度L5分别与所连接二元喷管出口的当量直径、面积、宽高比及宽度相等，该装置宽度保持L5大小不变。

作为一种优选，所述波瓣段2出口截面7面积为A2等于矩形过渡段1的进口截面5面积A1；所述波瓣过渡段3出口截面8面积A3包括冷流截面面积和热流截面面积，总面积等于2倍的矩形过渡段1的进口截面5面积A1，冷气流通道13与高温燃气流通道15的截面面积相等，均为0.5倍的A3；所述分开式冷热流通道段4出口截面9面积A4包括冷流截面面积和热流截面面积，总面积等于2倍的矩形过渡段1的进口截面5面积A1，冷气流通道13与高温燃气流通道15出口截面面积相等，均为0.5倍的A4。

作为一种优选，所述内扩张波瓣11的对数n的值不小于1.5倍的宽高比AR，且不大于3倍的宽高比AR，n取整数。

作为一种优选，所述矩形过渡段1轴向长度L1不小于0.1倍的矩形过渡段1进口当量直径D1，且不大于0.25倍的D1；波瓣段2轴向长度L2不小于0.8倍的D1，且不大于1.2倍的D1；波瓣过渡段3轴向长度L3不小于0.12倍的D1，且不大于0.2倍的D1；分开式冷热流通道段4轴向长度L4不小于0.36倍的D1，且不大于0.6的D1。

作为一种优选，所述外扩张波瓣11末端的半径为R1的值取1/4n倍的矩形过渡段1进口宽度L5；内扩张波瓣10末端的半径为R2，其值取为1/4(n-1)倍的L5；波瓣连接曲面12在波瓣段2出口截面7处的高度L6不小于0.27倍的矩形过渡段1进口当量直径D1，且不大于0.58倍的D1；波瓣过渡段3出口截面8处的高度L7的值为L6+πR1/2；冷气流通道13的宽度L9值与R2相等；高温燃气流通道15的宽度L8的值与R1相等。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

一方面，传统的二元喷管及二元引射喷管型面无法形成有效遮挡的排气系统内部高温部件中心锥、支板、混合器等，本装置特殊的波瓣型面和分开式冷热流通道内隔板可以形成有效遮挡，进而减小这些高温部件的红外辐射。相比未连接本装置的二元喷管，后接本装置的二元喷管在固体壁面辐射主导的探测范围，在水平探测面上15°探测角红外辐射的降幅最大达到57.9%，在竖直探测面上30°探测角红外辐射的降幅最大达到36.9%。

另一方面，本发明装置分开式冷、热流通道段将高温燃气流和引射的冷空气流分隔开来，有效的减小了引射冷流空气的阻力，保证了引射冷流空气流的量是非常可观的，大概能占高温燃气流的21.8%，引射的低温空气来自发动机外部机舱内的空气，因此不需要从发动机分出额外的气源，从而也就不会直接损失发动机的推力，引射的这部分低温空气不仅可以提供一定的推力，还可以与排气系统排出的高温燃气流在本装置出口截面掺混，有效降低了高温燃气的温度，进而减小喷流的红外辐射强度。相比未连接本装置的二元喷管，后接本装置的二元喷管在水平和竖直探测面上喷流辐射主导的探测范围，在侧向90°纯喷流辐射的角度，红外辐射的降幅均能达到52%以上。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明用于二元喷管出口的低红外特征波瓣引射混合装置竖直对称面1/2模型示意图；

图2是本发明用于二元喷管出口的低红外特征波瓣引射混合装置水平对称面1/2模型示意图；

图3是本发明装置一个波瓣单元示意图；

图4是本发明装置在波瓣段出口截面位置7的截面面积A2示意图；

图5是本发明装置在波瓣过渡段出口截面位置8的截面面积A3示意图；

图6是后接本发明装置的二元喷管与未接本发明装置的二元喷管在水平探测面上的无量纲积分辐射强度对比图；

图7是后接本发明装置的二元喷管与未接本发明装置的二元喷管在竖直探测面上的无量纲积分辐射强度对比图；

图中：1.矩形过渡段；2.波瓣段；3.波瓣过渡段；4.分开式冷热流通道段；5.矩形过渡段进口截面位置；6.波瓣段进口截面位置；7.波瓣段出口截面位置；8.波瓣过渡段出口截面位置；9.分开式冷热流通道段出口截面位置；10.内扩张波瓣；11.外扩张波瓣；12.波瓣连接曲面；13.引射冷气流通道；14.隔板；15.高温燃气流通道。

具体实施方式

本发明提供一种用于二元喷管出口的低红外特征波瓣引射混合装置，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1和图2分别给出了该波瓣引射混合装置由竖直对称面截取的1/2模型示意图和由水平对称面截取的1/2模型示意图。用于二元喷管出口的低红外特征波瓣引射混合装置，包括依次连接的矩形过渡段1、波瓣段2、波瓣过渡段3和分开式冷热流通道段4，在所述波瓣段2内设置有若干连续的波瓣结构，所述波瓣结构通过波瓣过渡段3平滑连接到分开式冷热流通道段4，每个波瓣结构通过波瓣过渡段3对应连接有隔板14；所述隔板14沿装置轴向方向竖直设置贯穿整个分开式冷热流通道段4，将冷热气流分隔开，形成交替分布的引射冷气流通道13和高温燃气流通道15。

进一步的，所述波瓣结构包括以装置横向中间截面镜面对称的一对波瓣单元，如图3所示，每个波瓣单元包括外扩张波瓣11、内扩张波瓣10以及连接内、外扩张波瓣的波瓣连接曲面12，每个波瓣连接曲面12大致以竖直方向设置，并通过波瓣过渡段3平滑连接一个隔板14；

所述内、外扩张波瓣以其在装置内的位置决定，靠近装置外侧的为外扩张波瓣11，靠近装置横向对称面的为内扩张波瓣10；两端的波瓣为外扩张波瓣11，则波瓣段2包括n对上下对称的外扩张波瓣11，以及包括n-1对内扩张波瓣10；

对称的外扩张波瓣11对应在分开式冷热流通道段4处形成高温燃气流通道15，对称的内扩张波瓣10对应在分开式冷热流通道段4处形成冷气流通道13。

更进一步的，定义矩形过渡段1的进口当量直径为D1，进口截面5面积为A1，宽高比为AR，宽度为L5；如图4所示，定义波瓣段2出口截面7面积为A2,如图5所示，波瓣过渡段3出口截面8面积为A3，分开式冷热流通道段4出口截面9面积为A4。

从图4、图5中看出，波瓣过渡段3出口截面8面积A3包括冷流截面面积和热流截面面积，其总面积等于2倍的矩形过渡段1的进口截面5面积A3，冷气流通道13与高温燃气流通道15的截面面积相等，均为0.5倍的A3；所述分开式冷热流通道段4出口截面9面积A4包括冷流截面面积和热流截面面积，总面积等于2倍的矩形过渡段1的进口截面5面积A1，冷气流通道13与高温燃气流通道15出口截面面积相等，均为0.5倍的A4。

定义矩形过渡段1轴向长度为L1，波瓣段2轴向长度为L2，波瓣过渡段3轴向长度为L3，分开式冷热流通道段4轴向长度为L4；

定义外扩张波瓣11末端的半径为R1,内扩张波瓣10末端的半径为R2，上下对称的波瓣连接曲面12在波瓣段2出口截面7的高度为L6，上下对称的波瓣过渡段3出口截面8处的高度为L7；冷气流通道13的宽度为L9，高温燃气流通道15的宽度为L8；

定义矩形过渡段1的进口当量直径D1、面积A1、宽高比AR及宽度L5分别与所连接二元喷管出口的当量直径、面积、宽高比及宽度相等，该装置宽度保持L5大小不变。

以二元喷管出口当量直径为0.576m，宽高比为4，宽度为1.44m，面积为0.5184m²作为基本参数，举几个具体实例来更好的说明该装置的构成：

实施例1

设定外扩张波瓣的对数n取6，则内扩张波瓣的对数为5；外扩张波瓣的对数n为1.5倍的宽高比，则宽高比AR为4，宽度L5取1.44m；则矩形过渡段1的进口当量直径取0.576，进口截面5面积A1为0.5184m²。

波瓣段2出口截面7面积A2与矩形过渡段的进口面积相等也为0.5184m²，波瓣过渡段3出口截面8面积A3为2倍的矩形过渡段进口面积，即1.0368m²，分开式冷热流通道段4出口截面9面积A4与之相等。

在长度尺寸方面，矩形过渡段1轴向长度L1取0.1倍的矩形过渡段1进口当量直径，为0.0576m，在此基础上，波瓣段2轴向长度L2取0.8倍的矩形过渡段1进口当量直径，为0.4608m，波瓣过渡段3轴向长度L3取0.0691m，分开式冷热流通道段4轴向长度L4取0.2074m，外扩张波瓣11末端的半径R1取0.06m，内扩张波瓣10末端的半径为R2取0.072m；波瓣连接曲面12在波瓣段2出口截面7处的高度L6取0.1555m,波瓣过渡段3出口截面8处的高度L7取0.2498m,冷气流通道13的宽度L9取0.072m，高温燃气流通道15的宽度L8取0.06m。

实施例2

设置外扩张波瓣的对数n为12对，则内扩张波瓣的对数为11；矩形过渡段1的进口当量直径取0.576，宽高比AR取4，宽度L5取1.44m。

根据上述数据，得出进口截面5面积A1为0.5184m²，波瓣段2出口截面7面积A2与之相同也是0.5184m²，波瓣过渡段3出口截面8面积A3得1.0368m²，分开式冷热流通道段4出口截面9面积A4取1.0368m²。

在长度尺寸方面，矩形过渡段1轴向长度L1取0.144m，波瓣段2轴向长度L2取0.6912m，波瓣过渡段3轴向长度L3取0.1152m，分开式冷热流通道段4轴向长度L4取0.3456m，所述外扩张波瓣11末端的半径R1取0.03m，内扩张波瓣10末端的半径为R2取0.0327m；波瓣连接曲面12在波瓣段2出口截面7处的高度L6取0.3341m,波瓣过渡段3出口截面8处的高度L7取0.3812m,冷气流通道13的宽度L9取0.0327m，高温燃气流通道15的宽度L8取0.03m。

实施例3

设置外扩张波瓣的对数n为9对，则内扩张波瓣的对数为8；矩形过渡段1的进口当量直径取0.576，进口截面5面积A1取0.5184m²，宽高比AR取4，宽度L5取1.44m。

波瓣段2出口截面7面积A2取0.5184m²，波瓣过渡段3出口截面8面积A3取1.0368m²，分开式冷热流通道段4出口截面9面积A4取1.0368m²。

矩形过渡段1轴向长度L1取0.103m，波瓣段2轴向长度L2取0.5042m，波瓣过渡段3轴向长度L3取0.0808m，分开式冷热流通道段4轴向长度L4取0.2882m，所述外扩张波瓣11末端的半径R1取0.04m，内扩张波瓣10末端的半径为R2取0.045m；波瓣连接曲面12在波瓣段2出口截面7处的高度L6取0.2454m,波瓣过渡段3出口截面8处的高度L7取0.3082m,冷气流通道13的宽度L9取0.045m，高温燃气流通道15的宽度L8取0.04m。

上述三个用于二元喷管出口的低红外特征波瓣引射混合装置都基于如下原理来达到设计目标：喷管作为高温高速燃气流的喷射装置，在其后方存在低压区，此区域内静压小于外界环境的静压。因此，可以利用外界环境压力与此低压区的压差，利用此装置将环境中的低温空气引射进来。本发明用于二元喷管出口的低红外特征波瓣引射混合装置的波瓣段的相邻外扩张波瓣之间形成冷流空气导流通道，使机舱内的低温空气顺利的进入引射冷气流通道；而由二元喷管排出的高温燃气流依次经过矩形过渡段、波瓣段、波瓣过渡段和高温燃气流通道，并与引射冷气流通道流出的低温空气在本装置的出口截面位置进行掺混，从而降低高温燃气流温度，达到喷流红外抑制的效果。此外，本装置特殊的波瓣型面和分开式冷热流通道内隔板可以形成有效遮挡排气系统内部高温部件（中心锥、支板、混合器），进而减小这些高温部件的红外辐射，达到固体壁面红外抑制的效果。

根据数值仿真结果，图6所示为后接本发明装置的二元喷管与未接本发明装置的二元喷管在水平探测面上的无量纲积分辐射强度对比图，图7所示为后接本发明装置的二元喷管与未接本发明装置的二元喷管在竖直探测面上的无量纲积分辐射强度对比图，由图可知，相比未连接本装置的二元喷管，后接本装置的二元喷管，在固体壁面辐射主导的探测范围，水平探测面上15°探测角红外辐射的降幅最大达到57.9%，在竖直探测面上30°探测角红外辐射的降幅最大达到36.9%；在水平和竖直探测面上喷流辐射主导的探测范围，在侧向90°纯喷流辐射的角度，红外辐射的降幅均能达到52%以上。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。