魚嘴形可調(diào)噴管概念設(shè)計(jì)

■ 杜桂賢 賈東兵 金文棟 徐速 宋經(jīng)遠(yuǎn) 胡春曉 / 中國航發(fā)動(dòng)力所

針對未來高隱身性、高推重比戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展需求，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基于仿生學(xué)原理，首次提出了一種變截面、變面積的魚嘴形可調(diào)噴管，并首次將多學(xué)科耦合仿真方法應(yīng)用于噴管的概念設(shè)計(jì)中，創(chuàng)新性地完成了方案設(shè)計(jì)和分析，有效地縮短了設(shè)計(jì)周期，同時(shí)代替了部分物理試驗(yàn)。

隨著先進(jìn)的搜索跟蹤系統(tǒng)、地空導(dǎo)彈防御系統(tǒng)和空空武器裝備的迅速發(fā)展，飛行器尤其是起突防戰(zhàn)術(shù)作用的作戰(zhàn)飛機(jī)的戰(zhàn)場生存環(huán)境日趨惡化，如何提高戰(zhàn)場上飛行器的生存能力，并實(shí)施有效的對敵攻擊，成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭亟待解決的關(guān)鍵問題之一。因此，高隱身、高推重比已成為未來軍用飛機(jī)戰(zhàn)場生存力的迫切需求，而作為動(dòng)力裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)對飛機(jī)作戰(zhàn)效能具有決定性作用。

噴管是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，位于發(fā)動(dòng)機(jī)最末端，對發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和質(zhì)量影響較大，同時(shí)也是飛機(jī)后向隱身的關(guān)鍵部件，如圖1所示。因此，中國航發(fā)動(dòng)力所的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)針對未來戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展需求，研發(fā)相應(yīng)的配套噴管方案，一方面可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，另一方面也可以滿足飛機(jī)的綜合隱身性能的需求。

另外，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)噴管時(shí)還考慮了“潛水飛機(jī)”的需求。潛水飛機(jī)是一種新概念武器（如圖2所示），它可以在水下像潛艇一樣打擊目標(biāo)，又可以沖出水面，像飛機(jī)一樣飛行。由于潛水飛機(jī)需要具有空中飛行、水上活動(dòng)和潛水航行的三種模式，因而，它必須同時(shí)具有飛機(jī)、艦船和潛艇的特點(diǎn)，但這些特點(diǎn)集中在一起，就給與之匹配的噴管帶來了新的挑戰(zhàn)，不僅需要它在空中時(shí)能像傳統(tǒng)噴管一樣通過面積調(diào)節(jié)參與發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)控制，而且需要它在水下時(shí)能夠完全閉合。

圖1 飛機(jī)的主要紅外輻射源

基于上述需求，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)需要設(shè)計(jì)一種高隱身、高性能、質(zhì)量輕且出口能夠閉合的新型噴管方案，滿足不同作戰(zhàn)平臺的需求。

圖2 潛水飛機(jī)概念圖

圖3 軸對稱噴管和二維噴管

概念由來

軸對稱噴管和二維噴管是目前兩種應(yīng)用較廣且較為成熟的噴管類型，如圖3所示。軸對稱噴管的流道截面為圓形，氣流流動(dòng)損失小，因而具有較優(yōu)的氣動(dòng)性能，同時(shí)噴管喉道面積可調(diào)，可適應(yīng)不同發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的調(diào)節(jié)及轉(zhuǎn)換；其缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，不能對發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件有效遮擋，隱身性能差。二維噴管具有較優(yōu)的隱身性能、結(jié)構(gòu)簡潔，易于實(shí)現(xiàn)推力矢量，其缺點(diǎn)是質(zhì)量大，推進(jìn)效率低，一般只能實(shí)施上下的俯仰偏轉(zhuǎn)，移植到現(xiàn)役飛機(jī)上困難。

如果要同時(shí)滿足上述需求，則要綜合各種噴管的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種可以在圓形與方形之間相互轉(zhuǎn)換的噴管。在噴管的設(shè)計(jì)中，加力狀態(tài)需要優(yōu)異的氣動(dòng)性能（如軸對稱噴管），中間狀態(tài)需要優(yōu)異的隱身性能（如二維噴管），因此新設(shè)計(jì)的噴管應(yīng)該在加力狀態(tài)時(shí)是圓的，而在中間狀態(tài)時(shí)是扁的。

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過觀察魚嘴的張合過程、研究其生理結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)魚嘴可實(shí)現(xiàn)圓形—方形—線形之間的自由張合（如圖4所示）。受此啟發(fā)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)按照這種變截面、變面積的原則開始設(shè)計(jì)所需的噴管。由于該噴管概念來源于魚嘴，且噴管大、小噴口之間的轉(zhuǎn)換類似于魚嘴的張合，故稱之為 “魚嘴形噴管”。

方案簡介

魚嘴形可調(diào)噴管是創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基于仿生學(xué)原理，首次提出的一種適應(yīng)未來戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)展需求的新概念噴管。它由多個(gè)調(diào)節(jié)片沿周向無縫連接，形成一個(gè)封閉的氣動(dòng)流路，各調(diào)節(jié)片在作動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下完成協(xié)同運(yùn)動(dòng)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)圓形出口截面與扁平魚嘴形出口截面的無級轉(zhuǎn)變，達(dá)到面積調(diào)節(jié)的目的。

魚嘴形可調(diào)噴管主要有三種典型工作狀態(tài)，即大噴口狀態(tài)、小噴口狀態(tài)和閉合狀態(tài)，如圖5所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)加力狀態(tài)時(shí)，飛機(jī)需要優(yōu)異的氣動(dòng)性能，此時(shí)魚嘴形噴管為大噴口狀態(tài)，噴管呈圓筒形，出口為圓形，與傳統(tǒng)軸對稱噴管相似，噴管的氣動(dòng)性能優(yōu)異如圖5(a)所示。發(fā)動(dòng)機(jī)中間狀態(tài)時(shí)，飛機(jī)需要優(yōu)異的隱身性能，此時(shí)魚嘴形噴管為小噴口狀態(tài)，出口為扁平的魚嘴狀，該構(gòu)型有利于燃?xì)獾膿交?，且對發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件遮擋率更高，噴管隱身性能更優(yōu)，如圖5(b)所示。在小噴口的極限情況，魚嘴形噴管可實(shí)現(xiàn)完全閉合，該工作模式可用于潛水飛機(jī)等全新作戰(zhàn)平臺的武器裝備上，也可用于有反推力需求的動(dòng)力裝置上，如圖5(c)所示。

圖4 魚嘴張合過程

圖5 典型工作狀態(tài)

綜合分析

基于上述技術(shù)原理，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地采用氣固熱-機(jī)電液多學(xué)科耦合仿真的方法完成了魚嘴形可調(diào)噴管的概念設(shè)計(jì)，并對其氣動(dòng)特性、運(yùn)動(dòng)傳力特性、多系統(tǒng)相互影響等進(jìn)行了綜合分析，仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。結(jié)果表明，該噴管綜合性能優(yōu)異、運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)合理、系統(tǒng)協(xié)同良好，因此魚嘴形可調(diào)噴管方案合理可行。

魚嘴形可調(diào)噴管還有很多的優(yōu)點(diǎn)：首先，它兼具了軸對稱噴管和二維噴管的特點(diǎn)，故具有隱身性和高性能；第二，其喉道面積調(diào)節(jié)范圍大，可實(shí)現(xiàn)從零至最大面積的調(diào)節(jié)；第三，結(jié)構(gòu)簡潔、質(zhì)量輕、可靠性高，與傳統(tǒng)軸對稱噴管相比，其構(gòu)件數(shù)量減少30%以上，運(yùn)動(dòng)副減少50%以上。

應(yīng)用推廣

圖6 氣動(dòng)仿真結(jié)果

圖7 主要關(guān)節(jié)載荷變化曲線

魚嘴形可調(diào)噴管是適應(yīng)未來飛行器發(fā)展需求的一種新型噴管，它集傳統(tǒng)軸對稱噴管和二維噴管的優(yōu)點(diǎn)于一身，且取長補(bǔ)短，具有隱身氣動(dòng)等綜合性能優(yōu)異、喉道面積可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡潔、質(zhì)量輕、密封效果好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。其中，最顯著的優(yōu)點(diǎn)莫過于在隱身方面的優(yōu)勢，不僅可以有效遮擋發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫?zé)岵考蠓鳒p排氣系統(tǒng)的紅外輻射特征，還能縮減排氣系統(tǒng)的雷達(dá)截面積（RCS），達(dá)到紅外隱身與雷達(dá)隱身的綜合隱身效果，這與無人機(jī)、轟炸機(jī)和偵察機(jī)等機(jī)動(dòng)性較低的飛機(jī)對超隱身能力的需求是高度契合的。

與此同時(shí)，隨著美國高效嵌入式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（HEETE）技術(shù)在新一代無人機(jī)、轟炸機(jī)以及運(yùn)輸機(jī)上的逐漸成熟與普遍應(yīng)用，魚嘴形噴管配合發(fā)動(dòng)機(jī)埋入式安裝技術(shù)勢必在未來隱身飛行器上有著更廣闊的應(yīng)用前景。此外，在不改變飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)整體布局的前提下，魚嘴形噴管可移植到現(xiàn)役飛機(jī)及其改進(jìn)型上。同時(shí)，魚嘴形可調(diào)噴管可實(shí)現(xiàn)閉合的特點(diǎn)，使其在“潛水飛機(jī)”等全新作戰(zhàn)平臺上具有非常獨(dú)特的應(yīng)用前景，另外還可應(yīng)用于反推力裝置上。

結(jié)束語

未來武器裝備將根據(jù)所執(zhí)行任務(wù)的不同，對航程、隱身、機(jī)動(dòng)性、使用平臺等技術(shù)指標(biāo)提出特殊需求，因此未來發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)需要有針對性地研發(fā)不同類型的噴管方案，以適應(yīng)其發(fā)展。本項(xiàng)目針對未來武器裝備高隱身、高推重比、特殊使用環(huán)境等需求，基于仿生學(xué)原理，首次提出了一種可在圓形與扁平魚嘴形出口之間自由轉(zhuǎn)換的魚嘴形可調(diào)噴管，目前已完成噴管的概念設(shè)計(jì)，后續(xù)將從氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、隱身、密封、材料等多個(gè)方面開展深入研究，加速其技術(shù)成熟，為未來武器裝備排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制提供技術(shù)支撐。