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1 绪论1.1 研究背景和意义推力矢量技术是新一代军用飞机和导弹的必备技术，推力矢量技术不仅能够提供飞机和导弹向前的推力，而且能够提供俯仰和偏航力，使飞机以及导弹具有超敏捷性(过失速机动和过失速操纵能力)，同时增加了飞机的短距起降和隐身能力。因此，各先进发达国家竞相研究和发展这项技术[1]。推力矢量技术就是通过偏转发动机喷流的方向，从而获得额外操纵力矩的技术 。我们知道作用在飞机上的推力是一个有大小、有方向的量，这种量被称为矢量。然而，一般的飞机上，推力都顺飞机轴线朝前，方向并不能改变，所以我们为了强调这一技术中推力方向可变的特点，就将它称为推力矢量技术。不采用推力矢量技术的飞机，发动机的喷流都是与飞机的轴线重合的，产生的推力也沿轴线向前，这种情况下发动机的推力只是克服飞机所受到的阻力，提供飞机加速的动力。采用推力矢量技术的飞机和导弹，是通过喷管偏转，利用发动机产生的推力，获得多余控制力矩，实现飞机和导弹的姿态控制。其突出特点是控制力矩与发动机紧密相关，而不受飞机和导弹本身姿态的影响[2]。70 年代初， 美国曾考虑在轴对称喷管上增加推力矢量功能， 但由于当时技术水平的限制，选定了二元推力矢量喷管方案。随着推力矢量技术的发展，80年代中期 GE、P&W 公司又在其成熟的 F110、F100 发动机喷管的基础上研制了轴对称矢量喷管[3]。目前主要有三种矢量喷管方案，包括扰流板、二元收扩矢量喷管以及轴对称矢量喷管，扰流板相对来说结构比较简单，成本也低，但是有较大的死重和外廓尺寸，推力矢量效率低，对飞机隐身和超音速巡航不利。二元收扩矢量喷管是多功能推进装置，易于实现推力矢量化，但是二元收扩矢量喷管的缺点也较为明显，就是结构比较笨重，内流特性比较差。相对来说，轴对称矢量喷管运动原理非常简单，原轴对称收敛扩张喷管可以不做任何运动，飞机不需要做较大的改装即可实施，新旧飞机都可以安装[4]。轴对称矢量喷管的研究将是矢量推进装置的一个新的发展，对于飞机的机动性灵敏性的提高至关重要，当然了不光飞机可以采用轴对称矢量方案，导弹同样也可以采用轴对称矢量方案，轴对称矢量技术在导弹上的使用可以极大地提高导弹的空战能力、安全性以及生存能力、减少导弹的阻力和重量、提高导弹的敏捷性，对于我国国防事业的建设，使我国在未来空中领域的作战中占领一席之地至关重要[5]。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外固体火箭发动机推力矢量喷管的发展状况固体火箭发动机与液体火箭发动机相比，具有结构简单，使用方便，可靠性高，长期处于战备状态，推进剂密度高，准备时间短，工作推力大等优点，广泛用于从各中战术导弹以及战略导弹[6]。固体火箭发动机推力矢量控制系统的发展大体上可以分为三个阶段。第一个阶段：为了满足战术导弹以及早期的战略导弹的需要， 采用一些简单的机械系统， 比如英国的空-空导弹”“玲琍”、美国战术导弹 “中士”、战略导弹 “北极星 A1(这是第一个装备部队的大型战略核导弹[7]。）”、“民兵I”等采用的常平架可动喷管、 燃气舵、 喷流致偏器、 铰链接头可动喷管等。这些系统的共同特点是 质量重，发动机推力损失大。第二阶段：研制出了性能较好，对发动机性能影响较小的改进系统，例如“民兵 II、III”、 “北极星 A3”、 “海神”等导弹采用的液体二次喷射、柔性接头可动喷管。第三个阶段：即将使用相对较先进的系统，如夜浮轴承可动喷管、气体二次喷射系统等[8]。国外一些先进的战术导弹固体火箭发动机喷管大多采用全轴摆动柔性喷管，比如：美国的“MX”、“海神C3”发动机；法国的“M-4”发动机；俄罗斯的“白杨M”第三级发动机等。俄罗斯和美国主要采用柔性喷管，其他方案比较少[9]。国外一些战术导弹系统比如美国“战斧”巡航导弹 BGM-109A-B-C,采用由液压驱动的推拉矢量作动器提供 10°的球窝喷管控制；美国的TU-915发动机，推力矢量系统也采用球窝喷管，喷管摆角为 10.5°，足见美国对球窝喷管发展的重视，为了满足我国新一代战术导弹的需求，发展球窝喷管势在必行[9]。球窝接头可动喷管是固定体与活动体之间的相对运动接触表面采用球窝和球头配合面，使得可动部分能绕着喷管轴线上的一个点进行全轴的摆动的一种推力矢量控制系统。在喷管可动部分摆动的同时，排气流也随着偏转，使得推力线不通过飞行器的重心，从而产生相对于重心的侧向控制力矩[8]。正是由于固定体与活动体之间的相对运动，因此具有摆动分离线，需要进行密封和润滑。球窝接头可动喷管推力矢量控制系统主要由固定体、活动体、球窝接头以及伺服系统四部分组成。各部分的基本结构型式以及功用与铰链接头可动喷管是完全相同的，换句话说，球窝接头可动喷管既可以采用亚音速分离线，又可以采用超音速分离线，既可以是普通可动喷管，也可以是潜入式可动喷管。二者的主要差别在于球窝接头可动喷管比铰链接头可动喷管多一个自由度，即球窝接头可动喷管是围绕一个点进行转动的，而铰链接头可动喷管却是围绕一根轴进行转动的，因此，球窝接头可动喷管是全轴摆动的，而铰链接头可动喷管是单轴摆动喷管[8]。球窝喷管从活动体到固定体的传力方式有三种型式，因此，具有三种具体的结构[9]：第一种：轴承单轴球窝摆动喷管（HINGED),喷管的固定体与活动体之间通过一对销式轴承支撑和传递载荷。这是最早研制的一种球窝摆动喷管。适用于非潜入多喷管发动机。其基本结构如图 1.1。
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