魚嘴形可調噴管概念設計

■ 杜桂賢 賈東兵 金文棟 徐速 宋經遠 胡春曉 / 中國航發動力所

針對未來高隱身性、高推重比戰斗機的發展需求，創新團隊基于仿生學原理，首次提出了一種變截面、變面積的魚嘴形可調噴管，并首次將多學科耦合仿真方法應用于噴管的概念設計中，創新性地完成了方案設計和分析，有效地縮短了設計周期，同時代替了部分物理試驗。

隨著先進的搜索跟蹤系統、地空導彈防御系統和空空武器裝備的迅速發展，飛行器尤其是起突防戰術作用的作戰飛機的戰場生存環境日趨惡化，如何提高戰場上飛行器的生存能力，并實施有效的對敵攻擊，成為現代戰爭亟待解決的關鍵問題之一。因此，高隱身、高推重比已成為未來軍用飛機戰場生存力的迫切需求，而作為動力裝置的發動機對飛機作戰效能具有決定性作用。

噴管是發動機的重要部件之一，位于發動機最末端，對發動機的推力和質量影響較大，同時也是飛機后向隱身的關鍵部件，如圖1所示。因此，中國航發動力所的創新團隊針對未來戰斗機的發展需求，研發相應的配套噴管方案，一方面可以提高發動機的推重比，另一方面也可以滿足飛機的綜合隱身性能的需求。

另外，創新團隊在設計噴管時還考慮了“潛水飛機”的需求。潛水飛機是一種新概念武器（如圖2所示），它可以在水下像潛艇一樣打擊目標，又可以沖出水面，像飛機一樣飛行。由于潛水飛機需要具有空中飛行、水上活動和潛水航行的三種模式，因而，它必須同時具有飛機、艦船和潛艇的特點，但這些特點集中在一起，就給與之匹配的噴管帶來了新的挑戰，不僅需要它在空中時能像傳統噴管一樣通過面積調節參與發動機狀態控制，而且需要它在水下時能夠完全閉合。

圖1 飛機的主要紅外輻射源

基于上述需求，創新團隊需要設計一種高隱身、高性能、質量輕且出口能夠閉合的新型噴管方案，滿足不同作戰平臺的需求。

圖2 潛水飛機概念圖

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，氣流流動損失小，因而具有較優的氣動性能，同時噴管喉道面積可調，可適應不同發動機狀態的調節及轉換；其缺點是運動機構復雜，不能對發動機高溫部件有效遮擋，隱身性能差。二維噴管具有較優的隱身性能、結構簡潔，易于實現推力矢量，其缺點是質量大，推進效率低，一般只能實施上下的俯仰偏轉，移植到現役飛機上困難。

如果要同時滿足上述需求，則要綜合各種噴管的優點，設計一種可以在圓形與方形之間相互轉換的噴管。在噴管的設計中，加力狀態需要優異的氣動性能（如軸對稱噴管），中間狀態需要優異的隱身性能（如二維噴管），因此新設計的噴管應該在加力狀態時是圓的，而在中間狀態時是扁的。

創新團隊通過觀察魚嘴的張合過程、研究其生理結構，發現魚嘴可實現圓形—方形—線形之間的自由張合（如圖4所示）。受此啟發，創新團隊按照這種變截面、變面積的原則開始設計所需的噴管。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

魚嘴形可調噴管是創新團隊基于仿生學原理，首次提出的一種適應未來戰斗機發展需求的新概念噴管。它由多個調節片沿周向無縫連接，形成一個封閉的氣動流路，各調節片在作動系統的驅動下完成協同運動，根據發動機的狀態實現圓形出口截面與扁平魚嘴形出口截面的無級轉變，達到面積調節的目的。

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

發動機加力狀態時，飛機需要優異的氣動性能，此時魚嘴形噴管為大噴口狀態，噴管呈圓筒形，出口為圓形，與傳統軸對稱噴管相似，噴管的氣動性能優異如圖5(a)所示。發動機中間狀態時，飛機需要優異的隱身性能，此時魚嘴形噴管為小噴口狀態，出口為扁平的魚嘴狀，該構型有利于燃氣的摻混，且對發動機高溫部件遮擋率更高，噴管隱身性能更優，如圖5(b)所示。在小噴口的極限情況，魚嘴形噴管可實現完全閉合，該工作模式可用于潛水飛機等全新作戰平臺的武器裝備上，也可用于有反推力需求的動力裝置上，如圖5(c)所示。

圖4 魚嘴張合過程

圖5 典型工作狀態

綜合分析

基于上述技術原理，創新團隊創造性地采用氣固熱-機電液多學科耦合仿真的方法完成了魚嘴形可調噴管的概念設計，并對其氣動特性、運動傳力特性、多系統相互影響等進行了綜合分析，仿真結果如圖6和圖7所示。結果表明，該噴管綜合性能優異、運動結構合理、系統協同良好，因此魚嘴形可調噴管方案合理可行。

魚嘴形可調噴管還有很多的優點：首先，它兼具了軸對稱噴管和二維噴管的特點，故具有隱身性和高性能；第二，其喉道面積調節范圍大，可實現從零至最大面積的調節；第三，結構簡潔、質量輕、可靠性高，與傳統軸對稱噴管相比，其構件數量減少30%以上，運動副減少50%以上。

應用推廣

圖6 氣動仿真結果

圖7 主要關節載荷變化曲線

魚嘴形可調噴管是適應未來飛行器發展需求的一種新型噴管，它集傳統軸對稱噴管和二維噴管的優點于一身，且取長補短，具有隱身氣動等綜合性能優異、喉道面積可調、結構簡潔、質量輕、密封效果好、可靠性高等優點。其中，最顯著的優點莫過于在隱身方面的優勢，不僅可以有效遮擋發動機的高溫熱部件，大幅削減排氣系統的紅外輻射特征，還能縮減排氣系統的雷達截面積（RCS），達到紅外隱身與雷達隱身的綜合隱身效果，這與無人機、轟炸機和偵察機等機動性較低的飛機對超隱身能力的需求是高度契合的。

與此同時，隨著美國高效嵌入式渦輪發動機（HEETE）技術在新一代無人機、轟炸機以及運輸機上的逐漸成熟與普遍應用，魚嘴形噴管配合發動機埋入式安裝技術勢必在未來隱身飛行器上有著更廣闊的應用前景。此外，在不改變飛機和發動機整體布局的前提下，魚嘴形噴管可移植到現役飛機及其改進型上。同時，魚嘴形可調噴管可實現閉合的特點，使其在“潛水飛機”等全新作戰平臺上具有非常獨特的應用前景，另外還可應用于反推力裝置上。

結束語

未來武器裝備將根據所執行任務的不同，對航程、隱身、機動性、使用平臺等技術指標提出特殊需求，因此未來發動機排氣系統需要有針對性地研發不同類型的噴管方案，以適應其發展。本項目針對未來武器裝備高隱身、高推重比、特殊使用環境等需求，基于仿生學原理，首次提出了一種可在圓形與扁平魚嘴形出口之間自由轉換的魚嘴形可調噴管，目前已完成噴管的概念設計，后續將從氣動、結構、隱身、密封、材料等多個方面開展深入研究，加速其技術成熟，為未來武器裝備排氣系統的設計研制提供技術支撐。