一種用于短距垂直起降發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)式推力矢量噴管的制作方法
【專利摘要】適用于短距垂直起降發(fā)動機用旋轉(zhuǎn)式推力矢量噴管可以精確、高效的完成巡航工作狀態(tài)(噴管處于水平位置)與短距垂直起降工作狀態(tài)(噴管處于垂直或其他角度向下偏轉(zhuǎn)位置)之間的模態(tài)轉(zhuǎn)換?；诖怪逼鸾碉w機用發(fā)動機對噴管的矢量需求，對旋轉(zhuǎn)噴管進行了型面設計及結(jié)構(gòu)設計，且零件具有可替換性，結(jié)構(gòu)簡便利于加工。采用三段分別驅(qū)動的齒輪傳動方案使第一、二段噴管的偏轉(zhuǎn)角度之間可輕松實現(xiàn)非線性變化趨勢；采用軸承形勢的過渡聯(lián)接結(jié)構(gòu)可以減少兩段相對運動筒體之間的摩擦，使噴管工作更敏捷，高效。
【專利說明】一種用于短距垂直起降發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)式推力矢量噴管
[0001]本發(fā)明屬于航空領域，特別適用于短距垂直起降航空發(fā)動機用推力矢量噴管，小型短距垂直起降飛行器實驗驗證等航空領域。
【背景技術(shù)】:
[0002]英國“鷂”式戰(zhàn)斗機的誕生并在戰(zhàn)場上發(fā)揮巨大的作用，使得具有短距垂直起降能力的戰(zhàn)斗機受到了各軍事強國的持續(xù)關注。目前，除“鷂”式戰(zhàn)斗機外，具有短距垂直起降功能的典型戰(zhàn)斗機還有前蘇聯(lián)的Yakl41、美國的F35B，這些戰(zhàn)斗機都采用了可實現(xiàn)大偏角的推力矢量技術(shù)，特別是美國F-35B短距垂直起降戰(zhàn)斗機的創(chuàng)新式設計和其未來潛在的軍事用途和威懾力又給該項技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力，可以說，短距垂直起降戰(zhàn)斗機的發(fā)展極大程度上滿足了海軍對艦載航空作戰(zhàn)力量的需求，成為目前航空技術(shù)的研究重點。
[0003]短距垂直起降戰(zhàn)斗機的關鍵技術(shù)之一是推力矢量技術(shù)，該推力矢量技術(shù)要求該類戰(zhàn)斗機用發(fā)動機的噴管滿足相對于常規(guī)矢量噴管更大的矢量偏轉(zhuǎn)角，且噴管矢量偏角能夠連續(xù)可調(diào)并同時滿足飛機短距起降、垂直起降、巡航過程中俯仰和偏航控制以及優(yōu)越的巡航性能等多方面戰(zhàn)技指標。這些特殊的戰(zhàn)技指標大大增加了該類噴管的設計難度。飛機在垂直起飛或降落時利用噴氣流的偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生垂直于地面方向的升力，噴管偏轉(zhuǎn)過程中要保證飛機機身平穩(wěn)，不造成側(cè)向力且在巡航飛行時可保證巡航推力不受矢量需求的影響，并可以通過噴管不同偏轉(zhuǎn)角度實現(xiàn)飛機的偏航及俯仰操作，基于飛機的性能需求對旋轉(zhuǎn)噴管提出如下設計要求:①偏轉(zhuǎn)過程中噴管矢量角保持連續(xù)變化偏轉(zhuǎn)過程中噴管矢量角保持在同一俯仰面內(nèi)噴管巡航狀態(tài)工作時，性能與常規(guī)噴管相似。
[0004]國內(nèi)有關垂直起降的發(fā)明側(cè)重于升力系統(tǒng)的概念研究，而關于矢量噴管的研究也限于噴管附件及軸對稱矢量噴管的研究，關于旋轉(zhuǎn)式推力矢量噴管的研究較少，且沒有詳細的闡述噴管機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式及相關型面的計算，本發(fā)明相對于常規(guī)飛機用矢量噴管，進一步增大了噴管的偏轉(zhuǎn)矢量角，使之能夠達到短距垂直起降飛行器的作戰(zhàn)要求。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]本發(fā)明采用三段可旋轉(zhuǎn)筒體和一段過渡聯(lián)接筒體的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)推力轉(zhuǎn)向，過渡聯(lián)接段筒體可將噴管與多型號發(fā)動機相聯(lián)，使該發(fā)明更具通用性，且滿足垂直起降發(fā)動機對噴管的需求:①偏轉(zhuǎn)過程中噴管矢量角保持連續(xù)變化；②偏轉(zhuǎn)過程中噴管矢量角保持在同一俯仰面內(nèi)噴管巡航狀態(tài)工作時，性能與常規(guī)噴管相似。噴管實現(xiàn)從平飛到垂直降落的模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，三段筒體采用分別驅(qū)動的控制方式，并設計了滿足噴管俯仰矢量的控制規(guī)律，以保證俯仰推力的精確度。該發(fā)明根據(jù)噴管工作需要的最大矢量角對噴管型面進行了設計計算。此發(fā)明相對于國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)，應用范圍廣闊，機械結(jié)構(gòu)完整，噴管型面設計科學，對國內(nèi)現(xiàn)有矢量噴管技術(shù)進行了補充。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0006]圖1是旋轉(zhuǎn)式推力矢量噴管原理圖；[0007]圖2是旋轉(zhuǎn)式推力矢量噴管方案結(jié)構(gòu)圖；
[0008]圖3是旋轉(zhuǎn)式推力矢量噴管垂直起降模態(tài)型面圖；
[0009]圖4是A-A圓截面剖面圖；
[0010]圖5是B-B橢圓截面剖面圖；
[0011]圖6是C-C圓截面剖面圖；
[0012]圖7是噴管安裝位置正視圖；
[0013]圖8是實施實例中噴管矢量角轉(zhuǎn)至30°的型面圖；
[0014]圖9是實施實例中噴管矢量角轉(zhuǎn)至60°的型面圖。
[0015]圖中1.噴管過渡聯(lián)接筒體；2.軸承定位環(huán)；3.齒輪定位環(huán)；4.第一傳動齒輪；
5.聯(lián)接軸承；6.噴管第一段轉(zhuǎn)動筒體；7.是第二傳動齒輪；8.噴管第二段轉(zhuǎn)動筒體；9.第三傳動齒輪；10.噴管第三段轉(zhuǎn)動筒體；11.電機支座；12.第一電機；13.第一主動齒輪；14.第二電機；15.第二主動齒輪；16.第三電機；17.第三主動齒輪
【具體實施方式】:
[0016]本發(fā)明依據(jù)噴管的工作原理及工作模態(tài)(見圖1)對短距垂直起降用旋轉(zhuǎn)式推力矢量噴管進行了方案設計，包括幾何型面結(jié)構(gòu)設計和運動方案設計。
[0017]適用于短距垂直起降發(fā)動機用旋轉(zhuǎn)式推力矢量噴管采用軸承聯(lián)接，齒輪傳動的機械構(gòu)造形式。圖2中，I為噴管與發(fā)動機的過渡連接段，6、8、10分別為噴管第一、二、三段轉(zhuǎn)動筒體，圖3中，第一段轉(zhuǎn)動筒體的A-A至B-B截面為圓截面至橢圓截面的過渡，B-B截面之后為橢圓筒體，C-C斜截面為橢圓筒體的斜切面，其型面為圓截面以便軸承的安裝，A-A、B-B與C-C截面圖分別如圖4、圖5、圖6所示。第二、三段轉(zhuǎn)動筒體皆為橢圓筒體，尺寸與B-B截面后的橢圓筒體相同。
[0018]圖3中，α為噴管最大矢量角，β為噴管第一段轉(zhuǎn)動筒體型面斜切角度。β值的選定取決于α，β與α的關系可表示為:β = 90-α/4。基于該幾何型面的設計，噴管工作時，三段噴管同時旋轉(zhuǎn)且相鄰兩段噴管的旋轉(zhuǎn)方向相反，三段噴管轉(zhuǎn)速呈非線性關系，所以本發(fā)明采用三段轉(zhuǎn)動筒體分別驅(qū)動的方案實現(xiàn)噴管在俯仰面矢量角的精確控制。圖2中，噴管過渡段聯(lián)接筒體與軸承內(nèi)圈配合并通過軸承定位環(huán)固定相對位置，噴管第二段轉(zhuǎn)動筒體與軸承外圈配合并通過軸承定位環(huán)固定相對位置。第一傳動齒輪與噴管第一段轉(zhuǎn)動筒體通過齒輪定位環(huán)進行剛性聯(lián)接，噴管工作時，發(fā)動機與噴管間的過渡聯(lián)接段固定不動，第一電機帶動第一主動齒輪轉(zhuǎn)動通過第一傳動齒輪傳動使噴管第一段轉(zhuǎn)動筒體轉(zhuǎn)動。第二、三段筒體采用同樣的傳動方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。
[0019]圖7為噴管安裝位置正視圖，噴管由水平位置運動到垂直位置時噴管第一段轉(zhuǎn)動筒體逆時針轉(zhuǎn)動Q1角度，噴管第二段轉(zhuǎn)動筒體順時針轉(zhuǎn)動θ2角度，噴管第三段轉(zhuǎn)動筒體逆時針轉(zhuǎn)動θ3角度。
[0020]【具體實施方式】:以jetcat小型渦噴發(fā)動機實驗臺架為依托，旋轉(zhuǎn)式推力矢量噴管各段尺寸均參考jetcat原裝噴管尺寸設計，軸承選用標準深溝球軸承。噴管第一段轉(zhuǎn)動筒體采用勻轉(zhuǎn)速控制規(guī)律，旋轉(zhuǎn)范圍是O?95°，由此可得噴管最大偏轉(zhuǎn)矢量角α =95°，β =90-α/4 = 66.25°。由于三段筒體間的非線性轉(zhuǎn)角規(guī)律，第二、三段噴管均采用變轉(zhuǎn)速控制規(guī)律。[0021]圖2中，同時啟動第一、二、三電機12、14、16,第一電機12驅(qū)動第一主動齒輪13轉(zhuǎn)動，第一傳動齒輪4與第一主動齒輪13互相哨合，由于第一傳動齒輪4與噴管第一段轉(zhuǎn)動筒體6通過齒輪定位環(huán)3剛性連接，且第一段轉(zhuǎn)動筒體6與軸承5的外圈配合并通過軸承定位環(huán)2固定相對位置，故噴管第一段轉(zhuǎn)動筒體6與軸承5外圈相對軸承5內(nèi)圈轉(zhuǎn)動，軸承5內(nèi)圈與噴管過渡聯(lián)接段I配合并通過軸承定位環(huán)2固定相對位置。噴管第一段轉(zhuǎn)動筒體6轉(zhuǎn)動的同時，第二電機14與第三電機16通過同樣的方式驅(qū)動噴管第二段轉(zhuǎn)動筒體8和噴管第三段轉(zhuǎn)動筒體10轉(zhuǎn)動，第一、二、三段噴管管轉(zhuǎn)動筒體的轉(zhuǎn)動方向如圖7所示。
[0022]通過CATIA三維造型軟件可以對噴管由巡航模態(tài)過渡到短距垂直起降模態(tài)的過程進行動態(tài)模擬。圖8與圖9所示分別為噴管模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中捕捉到的30°和60°的矢量偏角狀態(tài)，模擬過程中，三段噴管筒體軸線保持在同一俯仰面內(nèi)且偏轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定矢量角可實現(xiàn)精確控制。由該實例可知，通過該旋轉(zhuǎn)式推力矢量噴管型面及運動規(guī)律的方案設計，噴管在模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中可以保證推力矢量的連續(xù)性和穩(wěn)定性，并能夠快速、高效的完成模態(tài)轉(zhuǎn)換過程。
【權(quán)利要求】
1.可實現(xiàn)短距垂直起降發(fā)動機用旋轉(zhuǎn)式推力矢量噴管結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包括:噴管筒體，連接軸承，驅(qū)動齒輪，從動齒輪，電機及噴管結(jié)構(gòu)附件。噴管通過固聯(lián)于噴管筒體的電機帶動驅(qū)動齒輪驅(qū)動固聯(lián)于噴管的從動齒輪從而實現(xiàn)噴管的轉(zhuǎn)動。噴管轉(zhuǎn)動時兩段噴管筒體間通過深溝球陶瓷軸承標準件連接保證了熱狀態(tài)下噴管不會由于軸承的熱載荷限制導致轉(zhuǎn)動卡死。三段噴管之間通過相互轉(zhuǎn)動實現(xiàn)三維矢量偏轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可實現(xiàn)三維矢量偏轉(zhuǎn)的推力矢量噴管結(jié)構(gòu)，制定了噴管的控制方案，保證了噴管從水平狀態(tài)到短距垂直起降位置過渡的過程中三段噴管軸線保持在同一俯仰面內(nèi)。
【文檔編號】F02K1/78GK103939235SQ201410168873
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】劉帥, 王占學, 程穩(wěn), 周莉, 孫嘯林 申請人:西北工業(yè)大學