基于UG/Motion的轴对称球面塞式矢量喷管运动仿真

根据轴对称球面塞式矢量喷管的结构特点,应用UG NX软件自顶向下装配建模技术建立了该喷管3维实体模型,并运用UG/Motion技术建立该喷管的运动模型。通过对该运动模型的运动仿真模拟了该喷管的真实非矢量和矢量运动状态,验证了运动机构方案的合理性和可行性。初步研究了矢量作动筒不同布置方式对控制规律的影响,确定矢量作动筒的控制规律及行程范围和主要运动构件的运动轨迹,为喷管模型试验件工程设计提供了依据。

雷达吸波材料涂敷对轴对称塞式喷管RCS的影响分析

航空发动机排气系统是作战飞机后向电磁散射的主要贡献源,在排气系统涂敷雷达吸波材料能够有效降低其后向雷达散射截面积。为了研究雷达吸波材料涂敷方案对轴对称塞式喷管电磁散射特性的影响,设计了7种不同的涂敷方案,获得了喷管后向雷达散射截面积分布。数值研究结果表明:在喷管壁面和塞锥壁面涂敷雷达吸波材料均能够降低喷管后向的RCS;在喷管出口区域涂敷能够在使用较少的雷达吸波材料的前提下,获得较好的RCS缩减效果;在塞锥前部区域涂敷雷达吸波材料能够提供最大的单位面积缩减效率。

塞锥形状和偏转角对轴对称塞式喷管红外特性的影响

以涡扇发动机轴对称塞式矢量喷管排气系统为原型,用CFD数值模拟方法对矢量偏转角和塞锥长度对排气系统红外辐射特性的影响进行数值模拟。结果表明:系统能探测到最大红外辐射强度的探测角度随喷管的偏转而偏转;随着塞锥长度的增加,红外辐射强度的峰值有所降低。

塞锥形状和偏转角对轴对称塞式喷管气动性能的影响

塞式喷管是1种具有质量轻、红外隐身效果好等优点的典型喷管。为分析矢量偏转角和塞锥的几何参数对涡扇发动机轴对称塞式矢量喷管排气系统气动特性的影响,采用CFD方法进行了数值模拟研究。结果表明:尾喷流随喷管偏转而有效偏转,推力系数随矢量偏转而减小,在高空状态下较为严重。在地面状态下偏转20°时的推力系数较无矢量偏转时减小了1.2%,在高空状态下偏转20°时的推力系数减小了2.5%;塞锥前体的导圆半径变化没有使气流分离,对气动性能影响不大;塞锥后体长度增加使喷管内部压力提升,塞锥尾缘低压区缩小。

塞式喷管二次喷射推力矢量控制研究

采用流体二次喷射方案,对塞式喷管发动机进行了不同工况的推力矢量控制冷流试验研究。在试验中,主要对影响推力矢量控制性能的参数:二次流流量、位置、喷射角度、二次流喷射孔的数量以及喷射孔出口面积大小等进行了研究。试验数据表明:二次流的工作参数和环境压力对侧向力的影响比较大。在高空环境下,推力矢量控制效果比较好,但在地面条件下,产生的侧向力比较小。二次流喷射产生侧向力的同时,对轴向力也有一定的增加。

固体塞式喷管二次喷射推力矢量控制

结合塞式喷管的结构特点,选用流体二次喷射的方法,在应用迎风格式求解N-S方程的基础上,对固体塞式喷管发动机的推力矢量控制进行了初步研究。考察了工作压比、流体二次喷射的角度和流量对固体塞式喷管的高度特性以及流体二次喷射产生的侧向力的影响。结果表明,流体二次喷射的推力矢量控制方法可以增加塞式喷管的轴向力;流体二次喷射产生的侧向力与二次喷射的流量和角度成正变关系;塞式喷管轴向力的增加随着二次流流量的增加而增加,但是二次流对轴向力的增加与二次流喷射的角度成反变关系。

矢量偏转对二元塞式矢量喷管红外辐射特征的影响

为了研究矢量偏转对二元塞式矢量喷管红外辐射特征的影响,通过喷管缩比模型的红外辐射特征试验,获得矢量偏转对喷管缩比模型红外辐射特征影响的试验数据及规律,并验证了红外辐射特征数值计算方法的计算精度。采用经过验证的计算方法对全尺寸二元塞式矢量喷管在发动机地面工作状态下的流场特性与红外辐射特征进行了数值仿真。研究结果表明:当矢量偏转角由0°增加到20°,塞锥壁面温度分布基本不变,但喷管偏转压力侧壁面温度逐渐升高,最大增幅达到38.5%,喷管偏转吸力侧壁面温度逐渐下降,最大降低15.4%。塞锥是二元塞式矢量喷管最主要的红外辐射源,在尾向-20°~20°方向,塞锥的平均贡献≥63.6%,最大高达91.0%。随着偏转角增加,喷管在水平探测面内的红外辐射强度逐渐减小,其中正尾向上的降幅最大,达到33.6%;在铅锤探测面内,辐射峰值方向朝矢量偏转方向偏移,但偏移角度小于矢量偏转角度。全尺寸模型仿真获得的矢量偏转对喷管红外辐射特征分布的影响规律与缩比模型试验的结论一致。

环喉环簇塞式喷管推力矢量控制研究

针对环喉环簇塞式喷管发动机的结构特点,提出了二次流喷射实现推力矢量控制的方案,并用数值方法研究了二次流的总温、总压、位置、角度、流量、喷射孔的数量以及孔间距等工作参数对推力矢量控制性能的影响。结果表明,侧向力与二次流的总温、总压、流量成正比关系;多孔比单孔的喷射效果好,孔与孔的间距要适当;逆向喷射比顺向喷射产生的侧向力大;喷射孔位置的选取受工作压比的影响很大。

涡扇发动机塞式轴对称喷管红外辐射特性数值研究

为掌握涡扇发动机塞式轴对称喷管的红外辐射特性,采用反向蒙特卡洛法研究了固体壁面投影面积、壁面发射率、塞锥冷却和综合隐身措施对塞式轴对称喷管红外辐射特性的影响,并与基准轴对称喷管的红外辐射特性进行了对比。结果表明:无任何隐身措施时,塞式轴对称喷管在探测方位角0°~90°范围内的红外辐射强度比基准轴对称喷管的大;塞锥对塞式轴对称喷管红外辐射强度的贡献度最大达到90%,在塞锥壁面采取隐身措施具有明显的红外抑制作用;塞锥壁面涂敷低发射率(ε=0.2)涂层,塞式轴对称喷管的红外辐射强度在探测方位角0°上较基准轴对称喷管的降低45.5%;塞锥壁面温度降低300 K,塞式轴对称喷管的红外辐射强度在探测方位角0°上较基准轴对称喷管的降低63.8%。塞锥壁面综合隐身措施的应用可以获得更好的红外抑制效果。

塞式矢量喷管热态内流特性试验

为了获取塞式矢量喷管的几何偏转角(0°、10°、15°)和落压比(2~6)对喷管的总压恢复系数、推力系数和气动矢量角的影响规律,开展了塞式矢量喷管热态内流特性试验研究。试验结果表明:在非偏转及偏转状态下,塞式喷管的总压恢复系数均高于0.99,表明喷管具有良好的内流特性;塞式喷管在低的可用压比情况下仍具有较高的推力系数,验证了塞式喷管在较低的可用压比情况下仍具有较高的推力系数;在几何偏转角固定时,气动偏航角基本稳定;在几何偏转角为15°时,气动矢量角最大可达15.5°,即喷管气动偏转角度与几何偏转角度相匹配,二者呈正比关系。

塞锥后体气膜冷却对轴对称塞式喷管红外辐射和气动性能的影响

运用数值模拟方法,在主流质量流量为130kg/s、总温为920K和冷却空气总温为480K的参数条件下,对比分析了塞锥后体气膜孔排布方式、气膜孔倾角（15°~30°）和气膜冷却空气用量（3%主流质量流量以内）对轴对称塞式喷管红外辐射和气动性能的影响。研究结果表明：塞锥后体的气膜冷却对喷管推力系数的影响十分微弱;对塞锥后体提供1%主流质量流量的冷却空气,喷管红外辐射强度相对无冷却喷管降低50%左右;当冷却空气用量增大至3%时,喷管红外辐射强度下降约60%,总压恢复系数降低较为显著;在相同的冷却空气用量下,小孔排间距的多孔排布方式与大孔排间距相比,具有近乎相同的红外辐射抑制效果和低的总压恢复系数下降幅度;气膜孔倾角从30°减小至15°,对塞锥后体表面温度的降低以及喷管总压恢复系数的改善效果微弱。

涡扇发动机轴对称塞式喷管红外辐射特征计算

用数值模拟的方法研究了3～5μm波段涡扇发动机轴对称塞式喷管的红外辐射特性,并与轴对称收扩喷管进行了对比。结果表明:轴对称塞式喷管红外辐射的空间分布和光谱分布特性方面与轴对称收扩喷管具有相似的特征,但是在红外辐射强度的数值有较大差别;以轴对称喷管为基准,轴对称塞式喷管无冷却措施的情况下尾向0°～15°范围内能够降低红外辐射强度,但在其他方向上的辐射强度有所增强;塞锥后部壁面冷却至400K,在0°～90°方向上塞式喷管均能有效降低红外辐射,且0°方向上降低了40.4%。大气对红外辐射的吸收作用随着探测角度的增大而增强。

差分流量调节推力矢量控制研究

为了了解差分流量调节实现推力矢量控制的特点,参考塞式喷管发动机XRS 2200的工作参数,对多单元直排型塞式喷管模型发动机进行了数值计算。介绍了差分流量调节的计算方法和内喷管与塞锥推力矢量变化的分析过程,计算产生的俯仰力矩。结果表明,差分流量调节时,塞式喷管轴向合力基本保持不变,不损失轴向推力性能;俯仰力矩包括轴向力和侧向力产生的两部分力矩,随差分流量调节增大而增加,有很好的偏转性能。结论可以为差分流量调节的实验研究提供参考。

塞式喷管推力矢量控制试验研究

参考传统火箭发动机的燃气舵推力矢量控制方案,提出塞式喷管发动机采用底部气流调节片实现推力矢量控制的方案,并针对此方案进行了推力矢量控制冷流试验研究.试验中,研究影响矢量控制侧向力的因素,比如底部气流调节片的角度和面积.试验结果表明:底部气流调节片推力矢量控制方案可以产生较大的侧向力,但轴向力的损失也比较大;侧向力的大小与底部气流调节片的面积和角度成正比例关系.

二元塞式矢量喷管塞锥尾缘冷却及红外辐射抑制效果

运用数值模拟方法,在主流总温920K、冷却空气总温470K的参数条件下,对比分析了塞锥尾缘气膜孔开孔率(1%~4%)、冷却空气用量(4.3%主流质量流量以内)和矢量偏转角(0°~20°)对二元塞式喷管塞锥尾缘冷却和红外辐射的影响。结果表明塞锥尾缘气膜冷却可以有效降低表面温度和喷管红外辐射强度,开孔率为2%的气膜孔阵列的表面降温效果相对较优;冷却空气质量流量比超过2.85%时,塞锥表面温度降低幅度随冷却质量流量比的变化趋于减缓,当冷却空气质量流量比为2.85%时,水平探测面±30°探测角内红外辐射强度相对无冷却喷管下降50%左右,铅垂探测面上气膜冷却表面降温对红外辐射强度的抑制效果更为显著;矢量角对于壁面温度分布影响很小,但对红外辐射强度空间分布具有重要的影响。

二元塞式喷管红外特征及壁面降温的红外抑制效果计算

用数值计算的方法研究了涡扇发动机二元塞式喷管在3～5μm波段的红外辐射特性,并与轴对称收扩喷管进行了对比.结果表明:无冷却措施时,相比于轴对称收扩喷管,二元塞式喷管在大部分探测角度上红外辐射增强,只在小部分的探测角度范围内具有红外抑制作用,在窄边探测面内探测角为90°方向上,其红外辐射强度降低了54%.若塞锥后部壁面温度降低300K,二元塞式喷管在大部分探测角度范围内的红外辐射强度明显低于轴对称喷管,在正尾向上的红外辐射强度降低了57%;与轴对称喷管中心锥表面降低相同温度相比,二元塞式喷管能取得更高的红外抑制效果,并且所付出的冷却代价较小.