全方位矢量发动机和飞行器的制作方法

1.本实用新型涉及推力矢量控制技术领域，具体而言，涉及一种全方位矢量发动机和飞行器。


背景技术：

2.推力矢量控制技术与航空航天领域的发展密切相关。发动机推力矢量控制具有不受飞行速度、高度和大气特性的影响，推力致偏效率高、响应速度快，能够显著提高飞行器的机动性能，在低速飞行及大气层外都能使飞行器获得很高的机动性能。
3.目前的推力矢量技术主要是通过喷管的转动或者喷管上的燃气舵或者扰流片导致气流的偏转而实现的，这类阻流致偏方式产生的推力，推力损失较大，且有常值损失，导致传统的火箭发动机大多是小偏角的矢量控制机械，且随着偏角越大，推力损失增加速度也越来越大。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的包括，例如，提供了一种全方位矢量发动机和飞行器，其能够可以减少推力损失，动力更加充足，并且有利于实现大偏角矢量控制，提高飞行器的机动性能和响应速度。
5.本实用新型的实施例可以这样实现：
6.第一方面，本实用新型提供一种全方位矢量发动机，包括底座、燃烧室和主喷管，所述底座设于所述燃烧室的端部，所述主喷管与所述底座连接，且位于所述底座远离所述燃烧室的一侧；
7.所述底座上设有多个辅助喷管，所述主喷管和所述辅助喷管分别与所述燃烧室连通；每个所述辅助喷管能够选择性地开启或关闭，以产生致偏推力。
8.在可选的实施方式中，所述底座采用半球形座体，所述半球形座体的直径与所述燃烧室的直径相同，所述半球形座体的端面与所述燃烧室的端面连接，所述主喷管设于所述半球形座体的顶面。
9.在可选的实施方式中，多个所述辅助喷管均匀间隔设于所述底座的外周面上，每个所述辅助喷管的轴线与所述主喷管的轴线形成夹角。
10.在可选的实施方式中，多个辅助喷管包括第一喷管、第二喷管、第三喷管和第四喷管，所述第一喷管与所述第三喷管相对设置，所述第二喷管与所述第四喷管相对设置；
11.所述第一喷管与所述第四喷管开启，所述第二喷管与所述第三喷管关闭的状态下，用于控制飞行器俯仰运动；所述第一喷管与所述第二喷管开启，所述第三喷管与所述第四喷管关闭的状态下，用于控制飞行器偏航运动；所述第一喷管与所述第三喷管开启，所述第二喷管与所述第四喷管关闭的状态下，用于控制飞行器滚动运动。
12.在可选的实施方式中，每个所述辅助喷管内设有扰流片，所述扰流片用于改变所述辅助喷管的开度。
13.在可选的实施方式中，每个所述辅助喷管内设有驱动件和传动件，所述驱动件与传动件连接，所述传动件与所述扰流片连接，以带动所述扰流片在所述辅助喷管内偏移。
14.在可选的实施方式中，所述传动件包括第一转轴、第二转轴、连接杆、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮，所述第一转轴的一端与所述驱动件连接，另一端与所述第一齿轮连接，所述第二转轴的一端与所述第二齿轮连接，另一端与所述第三齿轮连接，所述连接杆的一端与所述第四齿轮连接，另一端与所述扰流片连接；所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合传动，所述第三齿轮与所述第四齿轮啮合传动。
15.在可选的实施方式中，所述主喷管和所述辅助喷管分别采用拉瓦尔喷管。
16.在可选的实施方式中，所述底座、所述燃烧室和所述主喷管一体成型。
17.第二方面，本实用新型提供一种飞行器，包括飞行器本体和如前述实施方式中任一项所述的全方位矢量发动机，所述全方位矢量发动机与所述飞行器本体连接。
18.本实用新型实施例提供的全方位矢量发动机和飞行器，其有益效果包括，例如：
19.本实用新型实施例提供的全方位矢量发动机，在底座上分别设置主喷管和辅助喷管，主喷管和辅助喷管分别与燃烧室连通，通过控制辅助喷管的开启和关闭，能够实现各个方向的矢量推力，以调整飞行器的飞行姿态。在飞行器不进行姿态调整的状态下，辅助喷管均处于关闭状态，没有推力损失。并且多个辅助喷管开启或关闭具有多种组合，能够与主喷管共同形成大偏角的矢量控制，使得飞行器姿态调整更加灵活，机动性能更好，响应速度更快。
20.本实用新型实施例提供的飞行器，包括飞行器本体和上述的全方位矢量发动机，结构简单，推力致偏效率高、响应速度快，能够显著提高飞行器的机动性能。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
22.图1为本实用新型具体实施例提供的全方位矢量发动机的第一视角的结构示意图；
23.图2为本实用新型具体实施例提供的全方位矢量发动机的第二视角的结构示意图；
24.图3为本实用新型具体实施例提供的全方位矢量发动机的第三视角的结构示意图；
25.图4为本实用新型具体实施例提供的全方位矢量发动机的辅助喷管的一种布设结构示意图；
26.图5为本实用新型具体实施例提供的全方位矢量发动机的扰流片的一种移动原理结构示意图。
27.图标：100
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全方位矢量发动机；110
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燃烧室；120
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底座；121
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辅助喷管；123
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扰流片；130
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主喷管；131
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前部；132
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喉部；133
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尾部；101
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第一喷管；102
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第二喷管；103
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第三喷管；104
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第四喷管；141
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第一转轴；142
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第二转轴；143
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连接杆；144
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第一分段；145
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第二分
段；151
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第一齿轮；152
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第二齿轮；153
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第三齿轮；154
‑
第四齿轮。
具体实施方式
28.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
29.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
30.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
31.在本实用新型的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
32.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例中的特征可以相互结合。
34.现在的火箭发动机大多采用的是燃气舵装置，燃气舵装置是安装在喷管内部的，飞行器在不做姿态调整的状态下，燃气舵也会与气流作用产生一定的推力损失，即有推力的常值损失。并且，传统的火箭发动机大多为小偏角的矢量控制机械，且随着偏角越大，推力损失增加速度也越来越大。
35.为了克服现有技术的缺陷，本实用新型实施例提出了一种全方位矢量发动机100，在不做姿态调整的状态下，不会产生推力损失，动力更加充足。并且能够实现较大偏角的矢量控制，增加飞行器的响应速度，推力致偏效率高，能够显著提高飞行器的机动性能。
36.请参考图1至图3，本实施例提供了一种全方位矢量发动机100，可以应用于火箭、导弹等飞行器，应用范围广泛。该全方位矢量发动机100包括底座120、燃烧室110和主喷管130，底座120设于燃烧室110的端部，主喷管130与底座120连接，且位于底座120远离燃烧室110的一侧。底座120上设有多个辅助喷管121，主喷管130和辅助喷管121分别与燃烧室110连通，每个所述辅助喷管121能够选择性地开启或关闭，以产生致偏推力。由于主喷管130和辅助喷管121分别设置在底座120上，在飞行器不做飞行姿态调整时，辅助喷管121均处于关闭状态，不会产生推力损失，因此，能耗较低，使得飞行器有充足的前进动力。多个辅助喷管121能选择性地开启或关闭，不同位置的辅助喷管121开启后，会产生不同方向的致偏推力，以调整飞行器的飞行姿态，因此，根据多个辅助喷管121开启状态的不同组合，可以实现全方位的矢量控制，矢量偏角相对更大，推力致偏效率高、响应速度快，能够显著提高飞行器的机动性能。
37.可选地，底座120采用半球形座体，燃烧室110采用圆柱形壳体，半球形座体的直径与燃烧室110的直径相同，半球形座体的端面与燃烧室110的端面连接，主喷管130设于半球形座体的顶面，即主喷管130连接于半球形座体远离燃烧室110的一端。通过采用半球形座体，能够实现底座120与燃烧室110的圆滑过渡连接，当气流从燃烧室110进入底座120时，半球形座体能够减小气流的冲击损失，降低气流阻力，有利于对飞行器产生更大的推力，动力更加充足。
38.本实施例中，主喷管130采用拉瓦尔喷管，包括前部131、喉部132和尾部133，前部131与底座120圆滑过渡连接，并与燃烧室110连通，喉部132连接于前部131和尾部133之间，尾部133作为主喷管130的排气出口。喉部132的通流截面积最小，尾部133的通流截面积最大，前部131的通流截面积大于喉部132的通流截面积，且小于尾部133的通流截面积。即主喷管130的前部131在从前往后的方向上，截面积逐渐减小，呈收缩态；主喷管130的尾部133在从前往后的方向上，截面积逐渐增大，呈扩张态。
39.可以理解，燃烧室110中的燃气流在燃烧室110压力作用下，经过底座120和主喷管130向后运动，首先进入主喷管130的前部131。在这一阶段，燃气运动遵循“流体在管中运动时，截面小处流速大，截面大处流速小”的原理，因此燃气流不断加速。当到达较窄的喉部132时，流速已经超过了音速。而超音速的流体在运动时却不再遵循“截面小处流速大，截面大处流速小”的原理，而是恰恰相反，截面越大，流速越快。因此，燃气流到达主喷管130的尾部133后，燃气流的速度进一步加速，这样就产生了巨大的主推力。
40.多个辅助喷管121均匀间隔设于底座120的外周面上。容易理解，这里的外周面即底座120上位于主喷管130和燃烧室110之间的外表面，可选地，辅助喷管121为直接开设在底座120上的喷射口，多个辅助喷管121沿外周面环向设置，其喷射口的大小和数量可以根据实际情况设定，这里不作具体限定。每个辅助喷管121的轴线与主喷管130的轴线形成夹角，该角度可以是0度至90度之间的任意角度值，可以是15度、20度、30度、45度、60度、75度或80度等，优选地，每个辅助喷管121的轴线与主喷管130的轴线形成30度的夹角。这样设置，从辅助喷管121中喷出的气流既能产生供飞行器前进的主推力，又能产生调整飞行器姿态的致偏推力，响应速度更快，姿态变换更加灵活。
41.请参考图4，可选地，辅助喷管121的数量包括四个，分别为第一喷管101、第二喷管102、第三喷管103和第四喷管104，第一喷管101与第三喷管103相对设置，第二喷管102与第四喷管104相对设置。第一喷管101与第四喷管104开启，第二喷管102与第三喷管103关闭的状态下，用于控制飞行器俯仰运动；第一喷管101与第二喷管102开启，第三喷管103与第四喷管104关闭的状态下，用于控制飞行器偏航运动；第一喷管101与第三喷管103开启，第二喷管102与第四喷管104关闭的状态下，用于控制飞行器滚动运动。当然，并不仅限于此，辅助喷管121的数量也可以是两个、三个、五个、六个、八个或更多，这里不作具体限定。应当理解，根据不同数量和不同位置上的辅助喷管121开启或关闭，能实现全方位的矢量控制，灵活调整飞行器的飞行姿态，这里不再一一详述。
42.可选地，辅助喷管121也采用拉瓦尔喷管，具有显著的流体增速作用，有利于在姿态调整过程中获得更大的推力。当然，并不仅限于此，在其它可选的实施方式中，辅助喷管121也可以采用其它形式的增速管，这里不作具体限定。
43.进一步地，每个辅助喷管121内设有扰流片123，扰流片123用于改变辅助喷管121
的开度，即能够在辅助喷管121开启时，控制该辅助喷管121的通流量，从而达到对侧向推力(即致偏力)大小的控制。可选地，每个辅助喷管121内设有驱动件和传动件，驱动件与传动件连接，传动件与扰流片123连接，以带动扰流片123在辅助喷管121内偏移。
44.请参考图5，本实施例中，传动件包括第一转轴141、第二转轴142、连接杆143、第一齿轮151、第二齿轮152、第三齿轮153和第四齿轮154，第一转轴141的一端与驱动件连接，另一端与第一齿轮151连接，第二转轴142的一端与第二齿轮152连接，另一端与第三齿轮153连接，连接杆143的一端与第四齿轮154连接，另一端与扰流片123连接；第一齿轮151与第二齿轮152啮合传动，第三齿轮153与第四齿轮154啮合传动。可选地，连接杆143呈l形，包括相互连接的第一分段144和第二分段145，第一分段144与第四齿轮154连接，第二分段145与扰流片123连接。第一齿轮151和第二齿轮152采用锥齿轮传动，第三齿轮153和第四齿轮154采用锥齿轮传动，驱动件可以采用电机或旋转马达等动力元件，驱动件带动第一转轴141转动，第一齿轮151随之转动，由于第一齿轮151和第二齿轮152啮合，第一齿轮151带动第二齿轮152转动；第二齿轮152与第三齿轮153通过第二转轴142同轴设置，第二齿轮152转动能带动第二转轴142和第三齿轮153转动；由于第三齿轮153和第四齿轮154啮合，第三齿轮153能带动第四齿轮154转动，第四齿轮154转动能带动连接杆143的第一分段144转动，进而使得连接杆143的第二分段145摆动，从而带动扰流片123摆动，实现扰流片123相对辅助喷管121的转动，进而达到调整辅助喷管121开度的目的。
45.可以理解，在飞行器不做姿态调整的情况下，辅助喷管121全部关闭，辅助喷管121内的扰流片123将辅助喷管121的开口全部遮挡封闭，截断气流通路。在需要调整飞行器姿态的情况下，扰流片123在驱动件的驱动作用下摆动，部分遮挡或不遮挡辅助喷管121的开口，气流通路导通，燃烧室110内的气流能从辅助喷管121喷出。扰流片123的摆动幅度能够调节辅助喷管121开口被遮挡的面积，即调整辅助喷管121的气流流通截面。扰流片123遮挡辅助喷管121开口的面积不同，辅助喷管121所产生的推力大小也不同，从而能够起到调节侧向推力大小的目的，以便于对飞行器的姿态进行精确控制。
46.需要说明的是，在其它可选的实施方式中，传动件也可以采用其他结构形式，只要能实现扰流片123的移动，进而改变辅助喷管121开口面积即可，这里不作具体限定。可选地，底座120、燃烧室110和主喷管130可采用一体成型方式，结构简单，制造方便，降低制作成本。
47.本实用新型实施例还提供一种飞行器，包括飞行器本体和上述的全方位矢量发动机100，全方位矢量发动机100与飞行器本体连接，全方位矢量发动机100作为飞行器的动力装置，为飞行器本体提供前进的主推力以及姿态调整时的致偏推力。该全方位矢量发动机100不受飞行速度、高度和大气特性的影响，推力致偏效率高、响应速度快，能够显著提高飞行器的机动性能，在低速飞行及大气层外都能使飞行器获得很高的机动性能。并且在不做姿态调整的状态下，不会产生推力损失，动力更加充足，能耗低。
48.根据本实用新型实施例提供的一种全方位矢量发动机100和飞行器，其工作原理如下：
49.主喷管130连接在底座120上，底座120上还设有多个辅助喷管121，主喷管130和辅助喷管121分别与燃烧室110连通，主喷管130和辅助喷管121均采用拉瓦尔喷管，具有显著的增速效应，提升飞行器的动力。在不做姿态调整的状态下，所有辅助喷管121均关闭，不会
产生推力损失，能耗低，动力更加充足。在需要调整飞行器姿态的情况下，选择性地开启一个或多个辅助喷管121，燃烧室110的燃气流从辅助喷管121喷出产生侧向推力，侧向推力致偏效率高，响应速度快，有利于实现大偏角全方位矢量控制，显著提高飞行器的机动性能。通过扰流片123的移动能够改变辅助喷管121开口的面积，调节辅助喷管121的喷气量，从而达到对侧向推力的大小控制，实现对飞行器的姿态的精确调整。
50.综上所述，本实用新型实施例提供了一种全方位矢量发动机100和飞行器，具有以下几个方面的有益效果：
51.本实用新型实施例提供的一种全方位矢量发动机100，结构简单，制造方便，在不做姿态调整的状态下，不会产生推力损失，能耗低，飞行器的动力更加充足。通过选择性地开启一个或多个辅助喷管121，能产生侧向推力，实现全方位矢量控制，进而实现对飞行器的姿态调整；底座120上设置的辅助喷管121有利于实现较大偏角的矢量控制，响应速度更快，致偏效率更高，显著提高飞行器的机动性能。
52.本实用新型实施例提供的一种飞行器，包括飞行器本体和上述的全方位矢量发动机100，应用范围广，包括但不限于火箭或导弹等，可以实现较大偏角的全方位矢量控制，推力致偏效率高、响应速度快，能够显著提高飞行器的机动性能，并且在低速飞行及大气层外都能使飞行器获得很高的机动性能，姿态调整灵活、精确。在不做飞行姿态调整的情况下，不会产生推力损失，动力更加充足。
53.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。