基于振荡射流的法向流推力矢量喷管控制装置及飞行器

摘要

本发明涉及一种基于振荡射流的法向流推力矢量喷管控制结构及飞行器，其中控制结构包括控制器，依次连接的气流干管、开关阀、第一气流支管、第二气流支管和多个扫掠型振荡射流激励器，扫掠型振荡射流激励器的数量为偶数，均分为第一激励器组和第二激励器组，第一激励器组和第二激励器组分别布置在喷管出口的两侧，喷管出口侧沿主流方向渐扩，扫掠型振荡射流激励器的轴线与所在处喷管侧壁的法向夹角小于45度。与现有技术相比，本发明采用了流动控制的策略，结构简单，可靠性高，适应性强，无需利用复杂的机械结构改变喷管外形，降低了飞行器的重量；不会因为喷管外形的改变增加飞行器的阻力；同时可以显著提高飞行器的隐身性能。

说明书

技术领域

本发明涉及矢量喷管控制技术，尤其是涉及一种基于振荡射流的法向流推力矢量喷管控制装置及飞行器。

背景技术

在航空航天领域，流体的流动分离、转捩和动态失速等问题削弱了飞行器的可用性。常常通过流动控制的方法来实现延迟流体的流动分离和流动阻力的减小。良好的流动控制技术能够改善飞行器件的流动特性，并提供多角度的操纵力矩，以保证飞行器的机动性和可操纵性。因此，流动控制技术具有十分重要的工程意义和研究价值。依据是否需要外界能量的输入和反馈是否动态，流动控制可分为主动流动控制和被动流动控制。

主动流动控制利用外部能源来驱动特定的激励器，如稳定吹吸激励器、涡流发生器激励器、合成射流激励器、等离子体激励器等，为低能量边界层注入能量，增大射流与分离流的掺混程度，以实现对流场的控制。主动流动控制的优势在于能够实现动态反馈，比被动流动控制更佳灵活、有效，可操纵性更强，所以成为了当今流动控制领域的研究热点。

推力矢量控制(TVC)是一种依靠喷管变化直接变换飞行器推力方向，以提供更强的控制力及力矩的技术，有利于增强战斗机的作战效能、敏捷性和机动性，并且能够使战斗机的短距起飞能力大大增强。同时，在推力矢量控制领域的进一步研究还可以减小甚至取消飞机气动舵，从而降低飞机气动阻力，减轻飞机质量。因此，推力矢量技术是一种先进的飞行器控制技术。

矢量喷管主要分为轴对称型与二元型。轴对称型矢量喷管的截面为圆形，主射流可以与轴线呈一定夹角沿周向360°偏转，该方法使用灵活但是机构复杂；二元矢量喷管的截面为方形，只可产生两个方向的偏转力，其结构和使用更加简单。

传统的机械推力矢量技术是通过使用复杂的机械结构来实现喷管的偏转，以改变射流的方向。该方法所用的机械结构通常异常复杂，增加了飞行器的负荷和维修的难度，降低了飞行器在隐形方面的应用潜力，同时也会增加响应性能的控制难度。不同于机械推力矢量技术，流体推力矢量技术不使用运动部件，不易发生磨损和机械故障，且占据空间小，增加了设备的灵活性和可行性。

常用的流体推力矢量技术包括逆向流控制和同向流控制等，但是，现有技术中，流体推力矢量技术通常会产生不单调、突变的控制响应，以及可能的滞后效应。此外，流体推力矢量控制技术需要消耗大量的二次流气源影响整体推进效率。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种基于振荡射流的法向流推力矢量喷管控制装置及飞行器，采用了流动控制的策略，结构简单，可靠性高，适应性强，无需利用复杂的机械结构改变喷管外形，降低了飞行器的重量；不会因为喷管外形的改变增加飞行器的阻力；同时可以显著提高飞行器的隐身性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于振荡射流的法向流推力矢量喷管控制装置，包括控制器，气流干管、开关阀、第一气流支管、第二气流支管和多个扫掠型振荡射流激励器，所述扫掠型振荡射流激励器的数量为偶数，均分为第一激励器组和第二激励器组，所述气流干管的输入端连接至喷管侧壁，输出端连接至开关阀的输入端，所述开关阀的第一输出端通过第一气流支管连接至第一激励器组中的各扫掠型振荡射流激励器的输入端，第二输出端通过第二气流支管连接至第二激励器组中的各扫掠型振荡射流激励器的输入端，所述开关阀的控制信号输入端连接至所述控制器，所述第一激励器组和第二激励器组分别布置在喷管出口的两侧，所述喷管出口侧沿主流方向渐扩，所述扫掠型振荡射流激励器的轴线与所在处喷管侧壁的法向所呈角度小于45度。

所述扫掠型振荡射流激励器的轴线与所在处喷管侧面的法向垂直。

所述气流干管上设有调压阀。

所述调压阀连接至所述控制器。

所述气流干管的输入端和喷管的连接点近喷管入口侧设置。

所述开关阀为三通截止阀。

所述扫掠型振荡射流激励器为无反馈通道振荡器。

所述扫掠型振荡射流激励器为双反馈通道振荡器。

一种基于振荡射流的法向流推力矢量喷管控制装置，包括控制器，气源、气流干管、开关阀、第一气流支管、第二气流支管和多个扫掠型振荡射流激励器，所述扫掠型振荡射流激励器的数量为偶数，均分为第一激励器组和第二激励器组，所述气流干管的输入端连接至气源，输出端连接至开关阀的输入端，所述开关阀的第一输出端通过第一气流支管连接至第一激励器组中的各扫掠型振荡射流激励器的输入端，第二输出端通过第二气流支管连接至第二激励器组中的各扫掠型振荡射流激励器的输入端，所述开关阀的控制信号输入端连接至所述控制器，所述第一激励器组和第二激励器组分别布置在喷管出口的两侧，所述喷管出口侧沿主流方向渐扩，所述扫掠型振荡射流激励器的轴线与所在处喷管侧壁的法向所呈角度小于45度。

一种飞行器，含有如上述的控制结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、采用了流动控制的策略，结构简单，可靠性高，适应性强，无需利用复杂的机械结构改变喷管外形，降低了飞行器的重量；不会因为喷管外形的改变增加飞行器的阻力；同时可以显著提高飞行器的隐身性能。

2、采用非稳态的流动控制策略，可以有效提高控制效率，降低二次流流量的消耗。

3、使用法向流控制，提高了气动矢量控制技术在主射流为高速的情况下(Ma>0.8)的控制效率，可以增大主射流的角度偏转范围，最大程度上实现推力矢量化，同时可以实现无迟滞、良性的控制响应。

4、采用新型的扫掠型振荡射流激励器，产生数十至上万赫兹的振荡射流，同时相同的出口面积影响的范围更大，从而降低气源消耗，可以独立地实现单侧激励器阵列的打开或关闭，并调节进口流量，实现主射流偏转角度的灵活控制。

附图说明

图1是法向流推力矢量控制方法；

图2是双反馈通道振荡器示意图，其中，(a)为扫掠型流体振荡器示意图；(b)为用水流显影扫掠流形状；

图3是无反馈通道振荡器及其单周期工作过程；

图4是本发明实施例的结构示意图；

其中：1、气源，2、气流干管，3、调压阀，4、开关阀，5、扫掠型振荡射流激励器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种基于振荡射流的法向流推力矢量喷管控制装置，如图1和图4所示，包括控制器，主射流管2、开关阀4、第一次流管、第二次流管和多个扫掠型振荡射流激励器5，扫掠型振荡射流激励器5的数量为偶数，均分为第一激励器组和第二激励器组，主射流管2的输入端连接至喷管侧壁，输出端连接至开关阀4的输入端，开关阀4的第一输出端通过第一次流管连接至第一激励器组中的各扫掠型振荡射流激励器5的输入端，第二输出端通过第二次流管连接至第二激励器组中的各扫掠型振荡射流激励器5的输入端，开关阀4的控制信号输入端连接至控制器，第一激励器组和第二激励器组分别布置在喷管出口的两侧，喷管出口侧沿主流方向渐扩，其中振荡射流激励器所处平面与喷管出口平面的夹角为a(0°≤a≤90°)，振荡射流激励器的轴线与激励器出口处康达表面的切线夹角为b(45°≤b≤135°)。

扫掠型振荡射流激励器是一种使用固定零件通过康达效应产生不同频率的射流的部件。振荡射流具有时间平均、空间不平均的特点，当具有压力的流体从入流进口进入到交互区时，主流因为康达效应会贴附在一侧壁上，在从喉部射出之前分出一部分通过该侧的反馈通道返回到主流的根部，推动主流偏转到另一侧，重复之前的过程，实现出口处射流的振荡效果。振荡射流激励器能够在稳定的进口压力下，在出口产生高频高速的振荡射流，能够抑制流动分离的产生，使射流发生有效偏转。由于振荡射流激励器不需要使用移动零件，产生射流的频率范围广，并且在高温等极端工作条件下也具有相当的耐受性，拥有较高的应用价值。

将扫掠型振荡射流激励器的内部流道与基于法向流控制的气动矢量喷管的设计相结合，从而有效降低二次流引气量，提高气动矢量喷管的控制效率，优化推力矢量控制控制响应性能。同时在不增加现有结构复杂性的前提下，有效保证系统的可靠性和安全性。

主射流管2上设有调压阀3，调压阀3连接至控制器，通过控制开关截止阀和调压阀，改变产生振荡射流的激励器或调整振荡射流激励器的流量和压力，使得主射流的偏转方向和偏转角发生变化，实现推力矢量喷管角度的控制。主射流的偏转角度θ和进口压力、流量呈正相关关系。

在一些实施例中，主射流管2的输入端和喷管的连接点近喷管入口侧设置，可以提高响应性能。

扫掠型振荡射流激励器5可以采用如图3所示的无反馈通道振荡器或者如图2所示的双反馈通道振荡器。

具体的，使某一侧独立产生一定频率的振荡射流，其中振荡射流激励器所处平面与喷管出口平面的夹角为a(0°≤a≤90°)，振荡射流激励器的轴线与激励器出口处康达表面的切线夹角为b(45°≤b≤135°)。由于康达效应和夹带作用，导致喷管出口主射流朝振荡射流另一侧发生一定角度的方向偏转，从而调节主射流的偏转方向，以实现推力矢量的控制。在稳态即进口流量固定的条件下，主流在出口处的速度绝对值不发生变化，其方向沿在一定的角度范围内以一定的频率摆动，形成扫掠式的射流。

本发明所述推力矢量喷管的控制结构与方法简单易行，可靠性强，能灵活的适应各类工况。采用动态的流动控制，使得单侧激励器可以独立的产生数十至上千赫兹的振荡射流，灵活控制主射流偏转角和偏转方向，并且提升设备的鲁棒性和耐用性。激励器产生射流与康达表面法向平行，提升主射流的偏转性能。本发明提供了一种简便、使用周期长、控制效果显著的用于推力矢量喷管的控制结构与方法。

在另一个实施方式中，一种基于振荡射流的法向流推力矢量喷管控制装置，包括控制器，气源1、主射流管2、开关阀4、第一次流管、第二次流管和多个扫掠型振荡射流激励器5，扫掠型振荡射流激励器5的数量为偶数，均分为第一激励器组和第二激励器组，主射流管2的输入端连接至气源1，输出端连接至开关阀4的输入端，开关阀4的第一输出端通过第一次流管连接至第一激励器组中的各扫掠型振荡射流激励器5的输入端，第二输出端通过第二次流管连接至第二激励器组中的各扫掠型振荡射流激励器5的输入端，开关阀4的控制信号输入端连接至控制器，第一激励器组和第二激励器组分别布置在喷管出口的两侧，喷管出口侧沿主流方向渐扩，扫掠型振荡射流激励器5的轴线与所在处喷管侧壁的法向所呈角度小于5度。该实施方式需要配置独立的气源。

本申请还可以通过一种飞行器的形式进行实施，具体的，该飞行器含有如上述的控制结构。