一种调节喷管膨胀比的机构及其动态性能分析方法

本发明属于发动机尾喷管领域，具体涉及一种调节喷管膨胀比的机构及其动态性能分析方法。

背景技术：

1、航空发动机尾喷管将经过燃烧室的高温高压燃气进行膨胀加速以高速向外喷射产生反作用推力，并利用喷管进行推力矢量控制，完成飞行器飞行方向和姿态调节。调节喷管喉道与喷管出口的面积比可以改变燃气在喷管中的膨胀比，可实现对发动机工作状态的控制。航空发动机喷管可分为收敛形喷管与收敛-扩散形喷管，收敛形喷管是亚声速喷管的主要形式，收敛-扩散形喷管是超声速喷管的典型形式，而可调式收敛-扩散喷管实现了喉道面积与出口面积的可调节性。根据喷管几何形状，收敛-扩散型喷管又可分为三维对称式喷管、非对称结构喷管与二维喷管，二维喷管相较于三维对称式喷管，结构简单，容易实现反推力，有利于实现机身喷管一体化设计且隐身性能更好。

2、目前航空发动机尾喷管的控制调节方式是通过液压驱动，该驱动方式均会导致整体结构质量较重，且液压驱动管路复杂，需要动力源，无法满足飞行器轻量化的设计要求。因此，可采用机电作动器作为驱动源，可以满足飞行器尾喷管精度高、质量轻和反应快的设计要求。

3、目前，关于航空发动机喷管调节机构，hideyuki taguchi,hisao futamura,kazuoshimodaira.design study on hypersonic engine components for tbcc spaceplanes.aiaa 2003-7006.2003与keiichi okai,hideyuki taguchi,takayukikojima.numerical analysis of variable intake and nozzle for hypersonicengines.aiaa 2003-7069.2003提出了一种带中心体的二元塞式喷管，该调节机构在中心体凸起部位设置一对凸轮，凸轮通过连杆机构由作动器驱动，凸轮定轴转动改变喉道面积，该方案缺点是不能调节喷管出口面积。周唯阳.串联布局tbcc可调喷管的设计、仿真与实验研究.南京航空航天大学,2015.同样采用了中心体设有一对可转动凸轮的调节机构，实现喉道面积调节，并在喷管壁面设置转动件实现了出口面积同样可调，喉道面积与出口面积独立调节，导致需要多个驱动组件，轻量化设计要求较难满足。

4、关于二元塞式喷管调节机构，发明专利201320102886.1提出的“一种二元塞式喷管可调中心体结构”，该机构中通过作动筒伸缩带动连杆沿喷管轴向滑动，实现喷管喉道调节，但此结构中仅可调节喉道面积，无法调节出口面积。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种调节喷管膨胀比的机构及其动态性能分析方法，该机构能够控制喷管喉道与出口面积的同步调节，进而实现了喷管的多种膨胀比调节；通过仿真求解该机构的运动学特性，实现了对该机构运动特性的定量化描述，为后续电驱机构动态性能理论模型的建立提供依据。

3、本发明的技术方案是：一种调节喷管膨胀比的机构，包括作为二元喷口的壳体，壳体内入口段设置有中心体，在中心体上耦合有喉道面积调节组件和出口面积调节组件，由驱动组件对两组调节组件进行同步驱动控制；

4、所述壳体的出口段上下壁面为角度可调式出口调节板；

5、所述喉道面积调节组件的调节端与中心体连接，其驱动端与驱动组件连接，通过驱动组件控制驱动端运动，进而带动调节端进行扩展或收敛，以完成喉道面积的调节；所述出口面积调节组件安装于喉道面积调节组件的驱动端与壳体的出口调节板之间，与驱动端随动并带动出口调节板调节角度，以完成出口面积的调节。

6、本发明的进一步技术方案是：所述壳体沿轴向分为入口段和出口段，所述入口段的通道截面为固定式，出口段的通道截面为可调式；包括上板、下板、两侧板、上出口调节板、下出口调节板，所述两侧板对称设置作为二元喷口的侧壁，从入口段延伸至出口段，上板、下板作为壳体内入口段的上下壁面，上出口调节板、下出口调节板作为出口段的上下壁面，上出口调节板、下出口调节板分别铰接于上板、下板的轴向末端。

7、本发明的进一步技术方案是：所述喉道面积调节组件为连杆机构，其调节端铰接于中心体与驱动端之间，通过驱动组件改变中心体与驱动端之间的距离，完成对调节端扩张/收敛控制；将中心体与驱动端之间的距离增大时，调节端向壳体轴向收敛；将中心体与驱动端之间的距离缩小时，调节端向壳体上下板扩张。

8、本发明的进一步技术方案是：所述喉道面积调节组件包括依次铰接的喉道调节板、驱动板、滑动轴；两个喉道调节板对称铰接于中心体，作为调节端；两个驱动板对称铰接于两个喉道调节板的末端，滑动轴铰接于两个驱动板的末端，由驱动板、滑动轴构成驱动端；

9、所述滑动轴的轴向垂直于壳体侧板，其输入端与驱动组件连接，由驱动组件控制其在壳体内沿壳体轴向做直线运动，进而通过两个驱动板带动两个喉道调节板进行角度调节，改变喉道面积。

10、本发明的进一步技术方案是：所述喉道调节板和驱动板均为板面垂直于壳体侧板的矩形结构，其宽度与壳体内宽度一致。

11、本发明的进一步技术方案是：所述壳体的两侧板上沿轴向对称开设有直线滑槽，滑动轴的两端分别从两个直线滑槽穿出，与外置驱动组件的驱动端连接，沿滑槽做直线运动。

12、本发明的进一步技术方案是：两组所述驱动组件对称安装于两侧板外表面，其固定端分别通过支座安装于壳体的两侧板上，其驱动端分别通过推杆与滑动轴的两端头连接；所述驱动端的驱动方向与壳体轴向平行，与滑动轴的轴向垂直。

13、本发明的进一步技术方案是：所述驱动组件为一体式机电作动器。

14、本发明的进一步技术方案是：所述出口面积调节组件包括四个拉杆，两个拉杆为一组，其中上拉杆组的一端与靠近上出口面积调节板的驱动板铰接，另一端与上出口面积调节板铰接；下拉杆组的一端与靠近下出口面积调节板的驱动板铰接，另一端与下出口面积调节板铰接。

15、一种调节喷管膨胀比的机构的动态性能分析方法，具体步骤如下：

16、步骤1：根据二元喷管膨胀比的调节要求，设计对应喉道面积与出口面积，进一步设计所述调节喷管膨胀比的机构，在软件中建立机构模型；

17、步骤2：将简化的机构模型导入到仿真分析软件中，根据调节喷管膨胀比的机构的运动原理，设置连接关系：

18、推杆为主动件，输出直线位移，在推杆与大地之间设置移动副，将该移动副设置为驱动，添加60mm/s的恒定速度；

19、推杆推动滑动轴在滑槽内移动，在推杆与滑动轴之间设置固定副，在滑动轴与滑槽之间设置移动副；

20、滑动轴通过驱动板将运动传递至喉道调节板，喉道调节板绕中心体前端定轴转动，在滑动轴与驱动板之间设置转动副，在驱动板与喉道调节板之间设置转动副，在喉道调节板与中心体前端之间设置转动副，在中心体前端与大地之间设置固定副；

21、滑动轴通过驱动板与拉杆将运动传递至出口调节板，出口调节板定轴转动，在驱动板与拉杆之间设置转动副，在拉杆与出口调节板之间设置转动副，在出口调节板与壳体之间设置转动副，在壳体与大地之间设置固定副；

22、步骤3：对所述机构模型进行分析设置，时长设为0.4s，仿真步数设为100步。

23、有益效果

24、本发明的有益效果在于：

25、1.本发明调节喷管膨胀比的机构是一种可调节喷管喉道面积与出口面积膨胀比的电驱机构，该机构基于偏置曲柄滑块原理机构，提出了带中心体的二元塞式喷管调节机构，并通过拉杆实现了喷管喉道面积与出口面积的同步调节，实现了多种膨胀比可调，该电驱机构结构简单，可靠性高，满足了航空发动机轻量化，高推重比的设计要求。

26、2.本发明提出的一种动态性能分析方法，该分析方法基于adams软件，建立了该电驱机构的运动学仿真模型，求解了该电驱机构的运动学特性，且该模型符合电驱机构的实际运动特性，验证了电驱机构的可靠性与可实现性，并为后续电驱机构动态性能理论模型的建立提供依据。

27、3.仿真模型表明，本发明可以精确计算喉道调节板定轴转动角度与角速度，出口调节板定轴转动角度与角速度等响应，实现了该电驱机构运动学求解，且实现了对该电驱机构运动特性的定量化描述，后续可通过该分析方法对多种尺寸的电驱机构进行分析对比，根据喷管设计需求选择不同的膨胀比。