具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作更进一步地说明。

因此，本发明所提供的一种基于准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的旋转垂直起降喷管，利用椭圆锥的几何性质，通过在准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管特殊型面的凹腔中的特殊位置设置两个轴承，在伺服机构的控制下驱动部分凹腔型面转动，从而实现垂直起降功能。在平飞模态和垂直起降模态下，准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管依旧使用原有的推力矢量产生方式实现气流的偏转，完成两种模态下飞行器姿态的控制。通过上述手段，本喷管同时具备了推力矢量辅助高机动能力和高效、可靠、轻便的垂直起降能力，模态切换过程可靠、可控。

具体地，如图1-7所示，本发明所述的基于准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的旋转垂直起降喷管，主体结构包括准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的主体以及在凹腔内特殊位置安装的两个轴承，此外还包括驱动喷管筒体绕轴承转动的作动机构以及在一喉道附近对喷管内主流施加扰动的相关机构或结构（辅助推力矢量机构）。平飞模态下，本喷管内流道为典型的准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的双喉道结构，通过在一喉道附近有源、无源的气动扰动或者机械扰动，来产生辅助飞行器高机动飞行的推力矢量。垂直起降模态下，通过作动机构驱动第二和第三两段旋转喷管筒体，使得喷管出口由平飞模态下的水平向后变为倾斜向下，并在一喉道附近扰动的施加下，实现喷管出口气流90°以上转向。

基于准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的旋转垂直起降喷管平飞模态的主要喷管内流道结构与常见的准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管一致，均包含等直段11、一喉道前部收敛段12、一喉道13、二喉道前部扩张收敛段（凹腔）以及二喉道32（喷管出口），二喉道前部扩张收敛段包括二喉道前部扩张段31以及二喉道前部收敛段32。垂直起降模态下，部分上述结构所在的喷管筒体在驱动机构的作动下完成旋转，实现垂直起降功能。具体来说，基于准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的旋转垂直起降喷管主要包含下列三个喷管型面：

（1）固定筒体1：主要包含等直段11、一喉道前部收敛段12、一喉道13、部分二喉道前部扩张收敛段（具体来说是部分二喉道前部扩张段21），主要作用是通过注入次流或机械扰动的方式，在一喉道、二喉道前部扩张段起始段附近对主流实现扰动，产生初始的气流矢量偏转，用以在平飞模态中为飞行器提高机动性或者在垂直起降模态、模态切换过程中完成姿态控制。在固定筒体尾部设置与第一旋转筒体相配合的轴承、驱动等机构，尾部所在平面与喷管轴线方向垂直。

（2）第一旋转筒体2：主要包含部分二喉道前部扩张收敛段21（具体来说是部分二喉道前部扩张段），是实现垂直起降功能的关键部件之一。在第一旋转筒体起始处设置与固定筒体相配合的轴承、驱动等机构，起始处所在平面与喷管轴线方向垂直。在第一旋转筒体尾部设置与第一旋转筒体相配合的轴承、驱动等机构，尾部所在平面的法线与喷管轴线方向存在一定夹角α，且在平飞模态下，尾部所在平面的法线与喷管轴线均在水平面内。

（3）第二旋转筒体3：主要包含部分二喉道前部扩张收敛段（具体来说是部分二喉道前部扩张段和全部二喉道收敛段31），是实现垂直起降功能的关键部件之一。在第二旋转筒体起始处设置与第一旋转筒体相配合的轴承、驱动等机构，尾部所在平面的法线与喷管轴线方向存在一定夹角α，且在平飞模态下，尾部所在平面的法线与喷管轴线均在水平面内。

因此，设计准轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的旋转垂直起降喷管可以遵循以下设计步骤：（1）选取性能较优的轴对称喉道偏移式气动矢量喷管基准型线；（2）针对轴对称喉道偏移式气动矢量喷管的二喉道前部基准型线进行分区；（3）基于分区，确定喷管的完全轴对称部分型面、沿流向截面为椭圆形的的部分型面以及二者之间的过渡型面；（4）基于上述分区以型面，确定固定筒体与第一旋转筒体交接平面K₁和第一旋转筒体与第二旋转筒体交接平面K₂；（5）完善交接平面K₁和交接平面K₂附近轴承、驱动机构的设计；（6）完善一喉道、二喉道前部扩张收敛段附近的扰动部件设计。

进一步地，以典型喉道偏移式气动矢量喷管型线为例，对其进行分区，如图1所示。流道截面型线AA’为喉道偏移式气动矢量喷管基准型线的一喉道，流道截面型线GG’为喉道偏移式气动矢量喷管基准型线的二喉道（出口）。所有分区都在二喉道前部扩张收敛段中完成。考虑到喉道偏移式气动矢量喷管气流产生矢量的扰动来源的多样性，将流道截面型线AA’至流道截面型线BB’之间的区域设置为喷管扰动注入的位置，即流道截面型线AA’至流道截面型线BB’为施加扰动段。一般来说，若本喷管扰动来源为机械扰动片，则流道截面型线AA’至流道截面型线BB’距离不长于二喉道前部扩张收敛段的1/4，以免占用过多空间；不短于二喉道前部扩张收敛段的1/10，以获得较好的推力矢量性能。若本喷管扰动来源为外加气源（有源式）或者来自喷管入口（无源式），则流道截面型线AA’到流道截面型线BB’的距离约为喉道前部扩张收敛段的1/10-1/8。在流道截面型线BB’至流道截面型线CC’设置交接平面K₁并安装轴承a，流道截面型线BB’至流道截面型线CC’的距离满足一般轴承尺寸即可，以典型缩比喷管尺寸为例，流道截面型线AA’直径20mm左右下，流道截面型线BB’到流道截面型线CC’的距离约为5-10mm。对于其他尺寸的喷管，可以参考该比例及轴承实际情况来进行设计。在流道截面型线CC’至流道截面型线DD’之间为喷管圆截面至椭圆截面的过渡段（过渡衔接段a），具体过渡段长度由流道截面型线DD’所在平面的椭圆尺寸决定，一般来说，流道截面型线CC’至流道截面型线DD’的长度不短于流道截面型线DD’所在截面椭圆长轴与短轴差的1.5倍以上，且记轴对称喉道偏移式气动矢量喷管原先处于流道截面型线DD’处的圆截面的半径为r₁。在流道截面型线DD’至流道截面型线EE’中间型面是本喷管功能实现的关键。总体来说，流道截面型线DD’至流道截面型线EE’中间的型面为椭圆锥面的一部分，即流道截面型线DD’和流道截面型线EE’所在平面均为椭圆面，在二者之间设置交接平面K₂并安装轴承b。在流道截面型线EE’至流道截面型线FF’之间为喷管圆截面至椭圆截面的过渡段（过渡衔接段b），具体过渡段长度由流道截面型线EE’所在截面的椭圆尺寸决定，一般来说流道截面型线EE’至流道截面型线FF’的长度不短于流道截面型线EE’所在截面椭圆长轴与短轴差的1倍以上，且记轴对称喉道偏移式气动矢量喷管原先处于流道截面型线EE’处的圆截面的半径为r₂。

进一步地，根据上述分区结果，流道截面型线CC’上游喷管型面和流道截面型线FF’下游喷管型面均为根据喷管典型型线结果绕中心轴线旋转而成。流道截面型线DD’至流道截面型线EE’之间的型面为椭圆锥面。流道截面型线CC’至流道截面型线DD’与流道截面型线EE’至流道截面型线FF’型面均为变截面过渡段。其中：流道截面型线CC’至流道截面型线DD’之间的型面为圆截面-椭圆截面的变截面过渡段；流道截面型线EE’至流道截面型线FF’间型面为椭圆截面-圆截面的变截面过渡段。

进一步地，在流道截面型线DD’处的椭圆与在流道截面型线EE’处的椭圆为同一个椭圆锥的不同截面，即流道截面型线DD’平面处的椭圆长轴a_D与短轴b_D的比例与流道截面型线EE’平面处的椭圆a_E与短轴b_E的比例一致，记为m，即：

m=b_D/a_D=b_E/a_E

由简单几何关系和流动面积无突扩、突缩以满足低流动损失的需求，需满足：

π×a_D×b_D=π×r₁ ²且π×a_E×b_E=π×r₂ ²

又由于椭圆锥面的几何关系，交接平面K₂与喷管轴线所夹角度α满足以下几何关系：

cos α=m=b_D/a_D=b_E/a_E

由于本发明垂直起降模态下，喷管矢量角应不小于95°，记典型构型的轴对称喉道偏移式气动矢量喷管二喉道前部收敛段的收敛角度为β，且记按照经验预估的本喷管垂直起降模态下通过在一喉道下部施加扰动后喷管产生的矢量角与不施加扰动时喷管产生的矢量角为δ，则三者需要满足：

2α+nβ+δ≥95°

其中，由于全三维流动时气流受到喷管收敛段作用后推力矢量角的改变不等于收敛段的收敛角，大多数情况下实际推力矢量改变角度会小于收敛段收敛角，因此设置修正参数n（n≤1）。一般来说，35°≤β≤50°，修正参数0.5≤n≤0.75，而15°≤δ≤25°。因此，得到一般情况下α≥27.5°。考虑到垂直起降模态下喷管内型面明显转弯，α一味增大将导致喷管推力损失增大，因此一般来说，27.5°≤α≤37.5°。

由于本发明是基于典型构型的轴对称喉道偏移式气动矢量喷管改造而来，因此r₁和r₂为已知参数。通过自行设计即可给定α的取值，进而获得a_D、b_D、a_E、b_E的数值。

进一步地，交接平面K₂需完全处于椭圆锥面内，即交接平面与圆锥面相交处于EE’和FF’之间。

进一步地，平飞模态下，流道截面型线DD’处的椭圆与在流道截面型线EE’处的椭圆的长轴均处于竖直方向，短轴均处于水平方向。平飞模态下，固定筒体、第一旋转筒体和第二旋转筒体轴线共线，且第一旋转筒体和第二旋转筒体交接的平面K₂的法线位于水平面内。仅仅由喷管在一喉道附近对主流施加扰动产生气流偏转，以提高飞行器俯仰和偏航两个方向的机动性。

进一步地，模态切换过程中，第二旋转筒体相对第一旋转筒体、第一旋转筒体相对固定筒体转向相反，转动行程不同。具体来说，第一旋转筒体相对固定筒体旋转90°；而第二旋转筒体相对第一旋转筒体旋转180°，二者转向相反。就旋转角速度而言，第一旋转筒体相对固定筒体旋转的角速度是第二旋转筒体相对第一旋转筒体的二分之一。在上述运动规律的控制下，在模态切换过程中，固定筒体、第一旋转筒体和第二旋转筒体均在竖直平面内运动。

进一步地，模态切换过程中，由于喷管的实现扰动的机构、部件并未旋转。因此，在模态切换过程中的每个位置，喷管都可以使用常见的控制规律进行俯仰、偏航方向的调节，其具体调节和控制方案、控制方法以由实际需求及喷管一喉道附近扰动来源决定。模态切换结束后，喷管应处于最大低头状态，以实现超过95°的垂直起降模态矢量角。

进一步地，本喷管矢量产生的方式可以为气动式（有源式或无源式），还可以为机械扰动式，具体扰动方式及其控制方式与常见喉道偏移式气动矢量喷管基本一致在此不做赘述。且垂直起降模态下，考虑几何、工程实现性及性能情况，角度α不宜过大，因此需要通过在一喉道附近下侧施加扰动，使得流过一喉道的气流贴着喷管上壁面流动，以产生不小于95°的总矢量角。

进一步地，本喷管的研究基础为轴对称喉道偏移式气动矢量喷管，其垂直流向的每个截面均为圆形。作为本发明的进一步改进，可以在椭圆截面的喉道偏移式气动矢量喷管的基础上进行类似的改进设计，其具体设计步骤与前文基本一致。

进一步地，驱动筒体转动的机构可以是步进电机或伺服电机，也可以是液压作动机构，还可以是其他类型的机械结构。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

实施例

针对典型构型的基于喉道偏移式气动矢量喷管的旋转垂直起降喷管。

图8a、图8b两幅图展示的是使用机械扰动式喉道偏移式气动矢量喷管的具体实施例。此构型圆锥面短轴与长轴比m=b_D/a_D=b_E/a_E=0.85，α=arc cos0.85=58.21°。其中，图8a展示的是一喉道附近未施加扰动时喷管的内部流场。可见，此时本发明气流转向约50度，因而不能实现垂直起降。但是，当控制低头方向的扰流片伸出，使得矢量喷管产生更大的角度气流偏转。

因此，本发明通过进一步优化设计，针对某一个特定的构型，进一步优化m取值，并且在模态切换及垂直起降状态下，通过在一喉道附近施加扰动，产生低头方向的气流偏转，最终实现气流偏转超过90°的设想，具体如图8b所示。