基于双级二次流射流的流体推力矢量偏转控制

张鉴予，杜 海，范嘉康，王天宇，王可心，李 婧，胡佳玉

（1.西华大学西华学院,四川 成都 610039；2.西华大学流体及动力机械教育部重点实验室,四川 成都 610039；3.西华大学航空航天学院,四川 成都 610039；4.西华大学电气与电子信息学院,四川 成都 610039）

流体推力矢量技术(fluidic thrust vectoring，FTV)作为一项在飞行器姿态控制方面极具活力的技术，拥有十分可观的开发前景[1-2]。其主要特点在于通过流动控制手段控制、改变主流的方向及大小，从而对发动机产生的推力方向进行调整，最终得到飞行器姿态控制所需的力和力矩以实现对飞行器自身姿态的控制。依托流体推力矢量技术，飞行器可以实现其原本无法做到的机动性能，还可以获得大迎角飞行的能力[3-4]。

相较于传统的机械式推力矢量技术，流体推力矢量技术具有结构简单、成本低廉、响应快速等重要优势[5-7]。目前，流体推力矢量技术在提高航空器的飞行性能、增强军用航空器生存能力等方面均已有所运用[8-9]，而如何提高流体矢量控制效率、增大流体矢量偏转角则是目前研究的热点和难点。

中国民航大学佟川等[10]提出了一种基于Coanda效应的无源流体推力矢量喷管并进行了仿真实验，结果表明通过外界大气压力完全可以实现对主射流的矢量偏射控制。南京航空航天大学龚东升[11]对一种基于微型涡喷发动机热喷流的无源流体推力矢量喷管的控制规律进行了研究，结果表明该构型喷管可实现主射流连续可控偏转，最大流动矢量角为-12.3°、12.3°，最大推力矢量角为-12.9°、12.8°，控制规律接近线性且不存在主射流偏转突跳问题。南京航空航天大学曹永飞等[12]制作了一款基于被动二次流的二元流体式推力矢量喷管并进行射流偏转比例控制实验，结果表明改变控制缝入口面积可以达成对主流矢量偏转的比例控制，最大推力矢量角为19°。

流体推力矢量技术在理论和应用上都有大量的研究[13-15]。由于单级二次流注入后仅能使主流产生一次偏转，因此无法对主流偏转产生持久影响。针对这个问题，本文从多次偏转的设想出发，提出一款双级流体式推力矢量喷管，通过浮子流量计对二次流的流量进行定量控制，获得了不同二次流流量吹气时主流矢量偏转结果，验证了采用双级二次流对主流进行矢量控制的方案，并通过烟流流动测试实验，研究其对应的流动控制机制。

1 实验系统与观测装置

本研究在西华大学流体及动力机械教育部重点实验室的射流式风洞试验台进行，整体实验系统如图1 所示。

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

主流由射流式风洞提供，流量范围为748～2 617 m3/h。利用变频器对射流风洞风机转速进行控制，以达到调节主流流量的目的。二次流由XGB-漩涡气泵提供，流量范围为0～330 m3/h。采用浮子流量计调节二次流流量，其量程为1.6～16 m3/h。

烟流观测系统由低频激光发生仪、高速动态记录仪及示踪粒子发烟机组成。系统工作时，发烟机释放出蓝色气雾体，主流裹挟气雾体前进，并在激光光幕上显现出其流向，随后利用高速动态记录仪对烟流进行观测，待烟流流动基本稳定且持续一段时间后进行拍摄以获取实验结果。高速动态记录仪频率为15 Hz，单次记录时间为190 μs，拍摄区域空间为260 mm×320 mm。

2 双级二次流矢量喷管模型设计

2.1 数值仿真设计

北京航空航天大学的吴盟等[16]、空军工程大学的徐学邈等[17]以及中国空空导弹研究院的张泽远等[18]对二次流和主流的夹角与主流矢量偏转角度之间的关系进行了研究，结果表明在相同二次流总压条件下，带一定角度的逆流注入比顺流注入对主流偏转的影响更大，当二次流方向与主流方向夹角呈130°～150°时可以得到13°～18°的主流矢量偏角。因此，为使每级二次流均与主流流向呈135°，本文在设计喷管模型时将第一级二次流角度设置为与轴线呈135°，第一级二次流注入主流会使主流向上偏转约15°，故将第二级二次流角度设置为与轴线呈110°。

此外，为了在二次流设备可以提供的有限流量条件下获得尽可能大的体积流量比调整区间，二次流入口尺寸参数最终设定为3 mm×200 mm。利用建模软件和网格绘制软件对模型进行制作。为保证网格质量，将面网格最小尺寸设定为 0.25 mm，最大尺寸设定为3 mm，过度比设定为0.272，增长率设定为1.2，边界层设置两层，网格绘制数目约为 300 000。边界条件为：设置主流入口面和4 个二次流入口面为计算输入，其余面均设置为壁面并抑制固体区域，仅对流体区域进行计算。模型流体域三维体网格如图2 所示。

图2 流体域三维体网格图Fig.2 3D volume grid in fluid domain

利用绘制的体网格通过CFD 仿真模拟软件分别对单独1 号控制缝吹气和单独2 号控制缝吹气进行仿真计算，图3、4 为仿真结果。图中Qv1/Qv主为1 号控制缝二次流与主流体积流量比，Qv2/Qv主为2 号控制缝二次流与主流体积流量比。由图可知，主流矢量偏转角大小随着二次流与主流体积流量比的增加而增大，基本呈线性变化。

图3 流体域仿真结果示意图（上偏）Fig.3 Schematic diagram of fluid domain simulation results(upward deflection)

图4 流体域仿真结果示意图（下偏）Fig.4 Schematic diagram of fluid domain simulation results(downward deflection)

2.2 实验模型设计

本文设计的双级流体式推力矢量喷管相关参数是在仿真模型参数基础上细化得到，其由内喷管与扩张段两个主要部分构成。内喷管出口高h=130 mm，宽w=200 mm，扩张段与水平方向呈30°。喷管设置两级控制缝，每级控制缝由上下两道二次流控制缝组成，每道控制缝尺寸为3 mm×200 mm。此外，通过CFD 仿真发现两级控制缝出口间距小于100 mm 时，二次流气体会有明显干扰，间距大于150 mm 时，会因距离过远而难以保证“接力”的作用效果。因此，设定两级控制缝出口间距为125 mm。

第一级控制缝位于距内喷管入口50 mm 处，二次流方向与轴线的夹角为135°。第二级控制缝位于距内喷管入口178 mm 处，二次流方向与轴线的夹角为110°。喷管模型参数如图5、6 所示。

图5 实验模型剖视示意图Fig.5 Schematic diagram of the sectional view of the experimental model

图6 实验模型三维示意图Fig.6 3D schematic diagram of the experimental model

3 单级射流控制下的推力矢量实验结果

3.1 单级射流控制下的烟流观测结果

本组实验为单级射流控制下主流偏转烟流观测实验。在射流式风洞涵道风扇入口处布置示踪粒子发烟机，实验开始后示踪粒子发烟机发生烟雾，主流裹挟烟雾通过喷管模型，同时利用高速动态记录仪连续进行拍摄并对拍摄的图片进行偏转角度标定处理。

首先进行无偏转实验。控制主流流量为390 m3/h，1 至4 号控制缝全部保持封闭，观测证明主流稳定无偏转，如图7 所示。

图7 无偏观测图Fig.7 Observation chart of no deflection

然后进行有偏转实验。主流流量仍保持为390 m3/h，2、3、4 号控制缝全封闭，仅打开1 号控制缝，通过浮子流量计对1 号控制缝吹入的二次流与主流体积流量比（Qv1/Qv主）进行动态控制，观测主流偏转情况，结果如图8（a）—（c）所示。

图8 单级上偏观测图Fig.8 Observation chart of single-stage upward deflection

随后封闭1、3、4 号控制缝，仅打开2 号控制缝，通过浮子流量计对2 号控制缝吹入的二次流与主流体积流量比（Qv2/Qv主）进行动态控制，观测主流偏转情况，结果如图9（a）—（c）所示。

图9 单级下偏观测图Fig.9 Observation chart of single-stage downward deflection

3.2 单级射流控制下的矢量偏转规律分析

本组实验以单级控制缝吹入二次流气体，其原理在于二次流吹入主流后会继续贴着喷管壁流动，因此导致二次流控制缝后方区域气流流速变大，使得该处压强出现显著下降，最终使主流上下侧出现压力差，进而导致主流发生偏转。

本文在模型的关键压强变化区域所对应的上壁面或下壁面处沿垂直方向打孔并安装测压管，图10 为测压打孔点位分布示意图。通过DSA3217/16Px 数字传感器阵列及DSALink4v101 软件分别在主流上偏和下偏时对各点进行测压，结果如表1、2 所示，测压数值为实验状态下200 组结果取平均值。由表1 可知上偏转时1 号控制缝后方点位出现明显低压区，由表2 可知下偏转时2 号控制缝后方点位出现明显低压区，此结果与实验原理相符。

表1 单级上偏测压结果表Tab.1 Pressure measurement results of single-stage upward deflection

图10 单级射流控制构型测压点位图Fig.10 Pressure measuring point bitmap of single-stage jet control configuration

为进一步研究单级二次流控制规律，保持主流流量为390 m3/h，2、3、4 号控制缝全封闭，1 号控制缝吹入二次流，流量从1.2 m3/h 开始以0.3 m3/h逐级递增，直到7.2 m3/h 为止，总共进行21 次主流偏转烟流观测并对烟流观测结果进行角度标定。图11 为单独1 号控制缝控制时主流矢量偏转角度变化规律示意图。

图11 单级上偏烟流测量角度变化图Fig.11 Variation diagram of measuring angles of singlestage upward deflection smoke flow

随后，保持主流流量为390 m3/h，1、3、4 号控制缝全封闭，2 号控制缝吹入二次流，流量从1.2 m3/h 开始以0.3 m3/h 逐级递增，直到7.2 m3/h 为止，总共进行21 次主流偏转烟流观测并对烟流观测结果进行角度标定。图12 为单独2 号控制缝控制时主流偏转角度变化规律示意图。

图12 单级下偏烟流测量角度变化图Fig.12 Variation diagram of measuring angles of singlestage downward deflection smoke flow

由图11、12 可知，上侧控制缝可控制主流向上偏转，下侧控制缝可控制主流向下偏转。此外，随着二次流吹入气体与主流体积流量比的提升，主流的矢量偏角增大，在实验条件下，当Qv1/Qv主=0.021时，得到向上最大偏角为8.9°，当Qv2/Qv主=0.021时，得到向下最大偏角为7.4°。

4 双级射流控制下的推力矢量实验结果

4.1 双级射流控制下的烟流观测结果

保持1 号控制缝吹入二次流与主流为最优体积流量比（Qv1/Qv主=0.021)，关闭2、4 号控制缝，打开3 号控制缝。通过浮子流量计对3 号控制缝吹入的二次流与主流体积流量比（Qv3/Qv主）进行动态控制，观测主流偏转情况，结果如图13（a）—（c）所示。

图13 双级上偏观测图Fig.13 Observation chart of double-stage upward deflection

随后保持2 号控制缝吹入二次流与主流为最优体积流量比（Qv2/Qv主=0.021)，关闭1、3 号控制缝，打开4 号控制缝。通过浮子流量计对4 号控制缝吹入的二次流与主流体积流量比（Qv4/Qv主）进行动态控制，观测主流偏转情况，结果如图14（a）—（c）所示。

4.2 双级射流控制下的矢量偏转规律分析

本组实验原理与单级射流控制下的矢量偏转实验原理相同。本文在模型的关键压强变化区域所对应的上壁面或下壁面处沿垂直方向打孔并安装测压管，图15 为测压打孔点位分布示意图。通过DSA3217/16Px 数字传感器阵列及DSALink4v101软件分别在主流上偏和下偏时对各点进行测压，结果如表3、4 所示，测压数值为实验状态下200 组结果取平均值。由表3 可知上偏转时1、3 号控制缝后方点位出现明显低压区，由表4 可知下偏转时2、4 号控制缝后方点位出现明显低压区，此结果与实验原理相符。

表3 双级上偏测压结果Tab.3 Pressure measurement results of double-stage upward deflection

表4 双级下偏测压结果Tab.4 Pressure measurement results of double-stage downward deflection

图15 双级射流控制构型测压点位图Fig.15 Pressure measuring point bitmap of double-stage jet control configuration

为进一步研究双级二次流控制规律，保持主流流量为390 m3/h，1 号控制缝吹入二次流与主流为最优体积流量比（Qv1/Qv主=0.021)，2、4 号控制缝全封闭，3 号控制缝吹入二次流，流量从1.2 m3/h 开始以0.3 m3/h 逐级递增，直到7.2 m3/h 为止，总共进行21 次主流偏转烟流观测并对烟流观测结果进行角度标定。图16 为1、3 号控制缝控制时主流偏转角度变化规律示意图。

图16 双级上偏烟流测量角度变化图Fig.16 Variation diagram of measuring angles of doublestage upward deflection smoke flow

保持主流流量为390 m3/h，同时2 号控制缝吹入二次流与主流为最优体积流量比（Qv2/Qv主=0.021)，1、3 号控制缝全封闭，4 号控制缝吹入二次流，流量从1.2 m3/h 开始以0.3 m3/h 逐级递增，直到7.2 m3/h 为止，总共进行21 次主流偏转烟流观测并对烟流观测结果进行角度标定。图17 为2、4 号控制缝控制时主流偏转角度变化规律示意图。

图17 双级下偏烟流测量角度变化图Fig.17 Variation diagram of measuring angles of doublestage downward deflection smoke flow

由图16、17 可知，在单级控制缝构型偏转基础上引入第二级控制缝能够明显提高主流偏转角度。随着第二级控制缝二次流流量增加，主流偏转角同步增大，总体呈线性趋势。在实验条件下，当Qv1/Qv主=0.021 且Qv3/Qv主=0.021 时，得到向上最大偏角为12.5°，当Qv2/Qv主=0.021 且Qv4/Qv主=0.021 时，得到向下最大偏角为12.0°。

5 结论

本文通过烟流流场显示实验，研究了基于双级二次流射流的流体式推力矢量喷管对主流矢量偏转角的提升效果，并在双级二次流吹气的基础上研究了施加不同的二次流主流体积流量比时主流的流场特性，得出以下结论。

1）通过在单级控制缝构型偏转基础上引入第二级控制缝能够使主流产生两次偏转，从而明显增大主流偏转角度。本文在实验条件下主流所产生的最大上偏转角为12.5°，最大下偏转角为12.0°。

2）主流矢量偏转角会受到二次流与主流体积流量比的影响，从整体来看二次流与主流体积流量比越大主流偏转角度也越大，二者基本呈线性关系。

根据上述结论，对于流体式矢量喷管，本文在一定程度上证明了双级二次流射流构型对传统的单级二次流射流构型存在明显的加强作用。在相同条件下，双级二次流构型可以用更小的二次流流量以逐级偏转的方式得到更大的主流矢量偏转角度，从而达到“四两拨千斤”的效果。

本文主要研究了基于双级二次流射流的流体式推力矢量喷管在低速气流状态下对主流偏转角的加强效果，下一步将在喷管扩张段处设置第三级控制缝并同时运用吹/吸气控制手段以进一步提升主流矢量偏转角。