[发明专利]带加力燃烧的涡扇发动机二元塞式喷管

说明书

技术领域

本发明专利涉及飞行器红外辐射特征的抑制，具体而言，主要涉及涡扇发动机动力排气系统。

背景技术

随着现代军事科技的发展，各种地空和空空武器装备对飞行器尤其是起突防战术作用的战斗机的威胁越来越大，如何提高飞行器战场生存能力的问题日益突显出来。针对飞行器自身的目标信号特征，世界各国均发展了先进的探测、搜索和跟踪装置。目前绝大多数中、近程地对空和空对空导弹都是采用红外和微波雷达复合制导技术，有关资料表明，上世纪80年代以来的几次空战中，被红外制导导弹击落的飞机占战争中所有被击落飞机总数的80％以上，红外制导导弹已成为作战飞机的主要威胁之一。

红外搜索与跟踪(IRST)系统通过探测喷气飞机的红外辐射信号来进行探测与跟踪，可以避免其载机在战斗环境中暴露自己而遭受攻击，具有良好的隐蔽性，因此已广泛装载在作战飞机上。如俄罗斯的Su-27和美国的F14战斗机。相关资料表明目前先进的IRST系统对低空目标的探测距离可以达到50km，对高空目标的探测距离达到了300km。以上分析可以看出，在当前复杂的战场环境下，发展飞机的红外隐身技术是刻不容缓的。飞机的红外辐射的来源主要有三个方面：(1)发动机排气系统的辐射(2)飞行时气动加热形成的飞机蒙皮热辐射；(3)飞机蒙皮表面反射的环境辐射。在亚跨音速飞行条件下，发动机排气系统的红外辐射是飞机在3～5μm波段的主要辐射源，约占飞机红外辐射的90％以上。因此研究发动机排气系统3～5μm波段的红外辐射特征，发展排气系统的红外抑制技术对提高飞机生存力的具有十分重要的意义。

发动机排气系统的红外辐射主要来自排气系统内被加热金属和尾喷流。针对发动机排气系统，国内外的研究人员发展和提出了多种抑制技术和措施，主要包括以下几个方面：

(1)采用红外辐射特征较低的涡轮风扇发动机。与涡轮喷气发动机相比，涡轮风扇发动机在结构上增加了外涵通道，通过引入未参与燃烧的冷空气与热喷流掺混来降低热喷流温度，从而达到抑制红外特征的目的。如美国的F/A-22采用了普惠公司生产的PW-F119涡扇发动机，俄罗斯的Su-27采用了AL-31F涡扇发动机。

(2)壁面冷却技术。采用强迫混合或引射等方法可以增强热燃气流与外涵或大气冷气的掺混，达到冲淡、冷却高温燃气流和冷却喷管内固体壁面的目的，从而有效抑制排气系统的红外辐射能力。F-117A采用了波瓣混合器，增强内外涵气流的掺混，从而减小尾喷流的温度。

(3)壁面涂层技术。发动机的排气系统通常是用耐热金属制成的，它们有较高的发射率，如果在它上面涂敷一层低发射率材料，可以降低高温壁面的红外辐射。例如，法国“小羚羊”武装直升机用的红外抑制器的铝制外套管表面就涂有一层约1.5mm厚的、以环氧胺类固化漆为底层的玻璃纤维毡隔热涂层。

(4)遮挡技术。发动机的背负式安装，即把发动机安装在机身的上方，这样可以利用机身对排气系统的遮挡有效地降低其在下半球的红外辐射，如“全球鹰”。

(5)改进喷管设计。与传统的轴对称喷管相比，非轴对称喷管在排气系统红外抑制方面具有很大的优势。非轴对称喷管中能够降低发动机红外辐射主要是二元喷管和S型喷管。二元喷管内流动的强三维效应强化了涡扇发动机内、外涵气流的掺混，从而降低了喷流最高温度。如美国的F117-A战斗机、F/A-22战斗机以及YF-23战斗机都采用了二元喷管。S型喷管的壁面遮挡了发动机排气系统大部分的固体壁面辐射，从而能够有效地降低发动机排气系统的红外辐射，但该型喷管的气动损失较大，目前应用比较成功的是美国的B2轰炸机。

塞式喷管因为其独特的气动性能在航空、航天领域都有应用。在航天领域(运载火箭)，由于塞式喷管所具有的自动高度补偿、结构简单紧凑、易于实现矢量控制、底部阻力小、可重复使用等特点，各航空航天强国都投入了大量的人力物力对其进行了研究。如1996年，美国的航空航天巨头洛克希德-马丁公司发起了可重复使用航天运载飞行器“VentuerStar”计划，该计划的原型机X-33的动力装置采用的就是直排气动塞式喷管发动机RS-2200。