短距起飞/垂直降落飞机升力系统研究进展

短距起飞/垂直降落(STOVL)升力系统是一种允许飞机在极短跑道甚至无跑道条件下起降的航空技术,提供了飞行器在受限空间和复杂环境中实施起降操作的能力,对军用和民用领域都有重要意义。尽管国际上对STOVL飞机的研究已有历史,但敏感或专用技术的信息并未广泛共享。为深入探索STOVL飞机升力系统的关键技术、难点和发展方向,在全面分析和总结最新研究进展和技术挑战的基础上,针对该领域的研究进展进行综述,特别是针对F-35B飞机深入探讨了STOVL飞机升力系统的关键技术,包括升力风扇、三轴承矢量喷管和整机推进系统性能等。在此基础上总结归纳了国内外学者在复杂结构设计、动力系统建模、环境影响评估和性能优化等方面的研究,为STOVL飞机的研发与优化设计提供方向参考。

短距起飞/垂直降落飞机外流场特性研究

为探索和研究短距起飞/垂直降落(STOVL)飞机,在垂直降落状态时的外流场特性和热燃气再吸入等飞推一体化关键问题,对STOVL飞机F-35B进行了飞机机身重构和网格划分,利用Fluent软件完成了F-35B外流场的三维数值模拟。研究了垂直降落状态下飞机不同离地高度和不同喷管面积下的热燃气再吸入问题。同时,给出了进气道入口截面、地面和机身的温度分布,直观说明了其升力系统方案的外流场技术特点。结果表明:为防止热燃气再吸入,应合理选择升力风扇喷口与主发动机喷口的面积相对值,并结合实际所需升力比,尽量减小两个喷口的面积比。

短距起飞/垂直降落发动机建模技术研究

参考常规双轴涡扇发动机数学模型,建立了适用于短距起飞/垂直降落(STOVL)飞机的变循环发动机部件级数学模型;通过特性外推,建立了轴驱动升力风扇数学模型;采用神经网络映射涵道总压损失的方法,建立了滚转喷管和外涵模型.根据STOVL发动机结构和部件变化特点,建立了稳态和动态共同工作方程.参照国外文献仿真数据进行设计点计算,并按照Bevilaqua提出方法开展了由常规涡轮风扇模式到悬停涡轮轴模式的过渡态仿真.仿真结果表明:建立的数学模型在悬停状态设计点和高空巡航点与国外文献数据相比误差均小于1.5%,推力达到悬停状态要求,符合STOVL发动机的设计特点,验证了该建模方法的有效性.

短距起飞/垂直降落战斗机升力风扇驱动方案研究

为了降低短距起飞/垂直降落战斗机轴驱动升力风扇驱动系统的设计制造难度,提出了一种利用发动机外涵道抽气在小涡轮中做功以驱动升力风扇的新方案,并建立了小涡轮驱动方式下的总升力和热效率计算模型。对总升力和热效率的计算结果表明,在选取合适的抽气比及小涡轮进气温度时,小涡轮驱动方式所产生的总升力与轴驱动方式相当或更大。小涡轮驱动方式除垂直起降阶段系统热效率略低外,在质量控制、设计开发难度、调节与控制、升力风扇布置灵活性等方面均具有优势。

基于某型发动机发展STOVL动力性能方案研究

短距起飞/垂直降落(STOVL)飞机由于其优越的作战性能,受到了世界航空大国的高度重视。通过借鉴目前最先进的STOVL动力F135-PW-600发动机技术发展思路,研究了基于国内某型发动机改STOVL动力方案时,主发动机与升力风扇之间的匹配和约束关系。研究结果表明:随着升力风扇压比和流量的增加,主发动机升力减小,升力风扇升力增加;同一主发动机状态下,升力风扇流量越大,发动机前后升力平衡的升力风扇压比越小,总升力越大;主发动机性能越高,发动机前后升力平衡的升力风扇压比和流量越大,发动机总升力也越大。

基于常规发动机发展STOVL推进系统的总体性能方案

结合F135-PW-600发动机构型,开展基于常规涡扇发动机发展短距起飞/垂直降落(STOVL)推进系统的总体性能方案研究,分析了影响性能方案的各升力部件参数,完成了针对总升力提升的方案优化。研究结果表明:以提高总升力为目标,升力风扇应选取低功耗、小压比、大流量的参数组合;滚转喷管引气量应由风扇裕度、滚转力及其力矩控制需求共同决定;增加外涵道调节机构和重新设计低压涡轮等措施,可将推进系统总升力最高提升近20%;保持主发动机部件不变,通过多学科优化设计,综合考虑质量等结构参数及耗油率等性能参数影响,可使短垂推进系统净收益提升近20%。

基于Simulink的飞/发一体化建模技术研究

通过对F-135发动机结构与短距起飞/垂直降落原理的分析,基于simulink仿真平台建立了由三轴承喷管、升力风扇和滚转喷管组成的发动机数学模型。将各部件推力在地面坐标系中进行分解,并结合机体当前姿态,利用simulink中的6DOF工具,建立了飞/发一体化模型;采用单一变量原则,分别通过调节发动机转速和飞行高度,对发动机动力模型各部件推力进行仿真验证,并将三轴承喷管推力仿真结果与外文文献中推力数据进行对比,最大误差仅为1.85%,验证了发动机动力模型的有效性;通过对机体位置和姿态进行仿真,验证了飞/发一体化模型的有效性。

三轴承转向喷管转向机构工作原理及运动规律

三轴承转向喷管作为大偏角矢量喷管的典型代表,是现代飞机实现短距/垂直起飞降落(以下简称短垂)功能必不可少的部件。基于三轴承转向喷管的工作原理——三轴共面理论,开展三轴承转向喷管的运动规律研究。运用坐标转换完成了运动规律方程的推导,并以计算实例和运动仿真技术对其正确性进行了验证。通过本研究,完成了三轴承转向喷管技术转向工程应用的理论研究和运动仿真验证,为我国短垂推进系统研制奠定了一定的技术基础。

STOVL推进系统模式转换过程建模及分析

在通过对离合器组件的动力学分析建立离合器动态性能计算模型的基础上,根据短距起飞/垂直降落(STOVL)推进系统各部件在不同工作状态下的耦合关系,建立了STOVL推进系统模式转换过程的共同工作方程组,即其动态性能仿真模型,并提出了STOVL推进系统短垂模式与常规模式相互转换的控制策略,对比了不同离合器接合速度下模式转换过程中的性能参数特点。结果表明:建立的仿真模型在模式转换过程中与国外文献数据相比最大误差为3.76%;提出的控制策略可保证模式转换过程中STOVL推进系统无超温、超转现象,且喘振裕度变化在0.1%以内;模式转换过程中离合器接合时间越短,其瞬时摩擦产热量越大,但总产热量越小。

STOVL飞机发动机多变量控制方法

短距起飞/垂直降落(STOVL)飞机发动机已采用多变量控制方法。基于鲁棒稳定性和条件数分析、块相对增益矩阵分析,对STOVL飞机发动机不同工作模式下的三变量控制系统输出选择和控制结构设计进行了研究。对常规工作模式,提出了基于多目标优化的三变量分块解耦控制方法,通过定义最优指标实现动态跟踪和分块间的耦合抑制。对常规工作模式和垂直起降工作模式间的切换,提出基于升力风扇功率前馈的复合控制方法,以消除负载变化对系统性能的影响。仿真结果表明:提出的控制方法能够保证常规工作模式下良好的解耦控制效果,能够实现不同工作模式间的平稳过渡,验证了控制方法的可行性。