新型流体矢量喷管的应用研究

发布时间：2020-04-03 05:00

【摘要】：流体推力矢量喷管是推力矢量技术前沿的研究热点,即喷管外壁面无需转动,通过流动控制实现气流的偏转,产生推力矢量。本文针对一种旁路式双喉道流体推力矢量喷管进行了应用研究,主要包括两方面:基于该喷管的全矢量无舵面飞行控制,和喷管在高温环境下的性能。首先,单个二元喷管只能产生单方向的推力矢量,在实际应用中,为了同时满足飞行器的俯仰、偏航与滚转控制效果,本文基于基本型喷管,研究了“单发倒V双喷管”布局。对新布局喷管进行数值仿真计算与测力实验以探究其推力矢量控制规律,设计制作了应用新布局喷管的飞行器,最终成功进行了全推力矢量控制的飞行,并采集了飞行数据。随后,本文研究了高温环境对基准型旁路式双喉道流体推力矢量喷管性能的影响,并将喷管的模型安装在微型涡喷发动机上,验证真实应用环境下喷管的性能。研究结果表明:1新布局喷管在巡航过程中可以有效地控制飞行器俯仰、偏航与滚转的姿态,实现了基于纯流体推力矢量的无舵面飞行控制。对于本文中飞行器,在滚转机动性方面,矢量控制与舵面控制效果相近,基本都在100°/s左右;而对于俯仰机动性,矢量控制效果较弱,舵面控制飞机俯仰时的抬头角速率最大可达50°/s,而矢量控制飞机俯仰时的抬头角速率最大约26°/s。2测力实验表明,推力矢量角随喷管阀门开度基本呈线性变化,且无滞回性;最大推力矢量角和仿真结果一致,可以达到20°左右。3仿真结果表明,落压比对喷管各项性能参数的影响远大于温度的影响;与其他性能参数相比,推力矢量角受温度变化的影响最为明显;相对于落压比大于4的工况,在低落压比(落压比小于4)下,高温会引起喷管性能恶化。本文研究的流体推力矢量喷管通过了低速测力和飞行实验、微型涡喷发动机实验和高温仿真,表明其在工程上有潜在的应用价值。
【图文】：

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（a）（b）（c）（d）图1.1 四种常见的流体推力矢量形式1.2 流体推力矢量喷管研究现状自 20 世纪 70 年代以来，世界各国都投入了很多人力物力对各种推力矢量装置进行了大量

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滚转 3 个方向的运动，因此用方向舵作偏航时需同时偏转其他操纵面来阻止俯仰和滚转两方向的运动，增大了控制难度。图 1.2 所示为 X-36 的外形。用翼梢开裂式副翼和矢量推力系统来补偿没有垂尾的不足。其中矢量推力系统仅用于偏航控制，而不用与纵向俯仰控制。开裂式副翼可独立操纵，上下都可以偏转到 30°。另外，机翼后缘副翼分为两段，可单独作动，，提供偏航所需的操纵；内侧副翼则像典型襟副翼一样作动，起到升降舵作用，用于俯仰和滚转操纵。X-36 的试飞成功为 X-4的研制奠定了良好的基础。X-45 在尾喷管两侧布置了升降副翼，在外翼段布置了方向副翼。X-45 的喷管同样具有矢量推力功能，如图 1.3 所示。X-47B 是目前世界上最大的无人作战飞机验证机，也是第一种全尺寸舰载无人作战飞机验证机[35]。该验证机采用飞翼布局，机体后缘外廓线为 W 形，每侧机翼的前后缘平行。短翼位置靠后且翼尖前部有切角。机翼可折叠，并且在折叠处进行了特殊设计，可保证机翼展开之后，机翼上下表面仍然光滑，以维持蒙皮的导电连续性，降低雷达反射面积（RCS），从而提高隐身性。飞机具有 6 个操纵表面，2 个为机翼后缘全翼展升降副翼，另 4 个为嵌入式操纵面，即小型的可收式控制表面，用以实现方向操纵，如图 1.4 所示。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V249.1

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