轴对称推力矢量喷管驱动机构的多目标优化设计研究

　　为了提高战斗机的机动性和生存能力,推力矢量技术在第四代战机中被广泛应用,目前采用较多的是轴对称矢量喷管(axial-symmetric vectoring-exhaustnozzle,AVEN)。轴对称推力矢量喷管的主要特点是完全保留了轴对称收扩式喷管的良好气动性能,只是在结构上增加了一套偏转驱动机构,使扩张调节片可在360°范围内偏转约20°,大幅度提高战机的机动性和敏捷性,增强飞机的隐身能力和短距起降能力[1]。采用推力矢量技术引起飞机的机身、机翼、操纵面和进气道附近的流场变化,造成气动力的改变,而这种干扰的强弱与飞机的整体布局形式具有极强的关系,因此在飞机的气动布局设计中采用机体/推进系统一体化设计。要实现飞机机体与矢量推进系统的一体化设计的关键在于通过AVEN驱动机构精确实现A9的面积和矢量转角,因此必须对AVEN驱动机构几何参数尺寸进行优化设计。

　　针对以Gough-Stewart并联机构为基础的驱动机构,笔者建立了AVEN驱动机构的空间运动分析数学模型,在此基础上采用同伦法分析了AVEN装置驱动机构各构件设计参数与性能参数之间的关系,然后以A9转向控制环转角和出口截面形状为目标函数建立AVEN装置驱动机构主要几何参数的多目标优化数学模型,在一定的约束条件下,通过优化得到AVEN驱动机构主要几何参数尺寸的最优值,以达到精确实现A9的面积和矢量转角的目的。

　　1　AVEN驱动机构运动分析

　　1·1　坐标系与坐标变换矩阵

　　AVEN驱动机构的简图见图1,该机构为双Stew-art平台驱动的复杂空间机构。并联于动、静平台之间的十几组RSRR-RRR空间机构[2],导引具有特殊内曲面的收敛调节片和扩张调节片包络成空间时变几何体。在动平台的驱动下,空间时变几何体实现喷管出口面积的变化和适量转角的偏转。固定坐标系O-xyz固定在Stewart机构的静平台上,相对坐标系O1-x1y1z1固定在动平台左端面上,根据空间复式多连杆机构的运动副和约束条件可知A9(喷口截面)有3个自由度,即A9收放、A9绕y轴转动和绕z轴转动。对于A9转向控制环的姿态,用其绕y轴的转角μ和绕z轴的转角η来确定,则相对坐标系相对于固定坐标系的坐标变换矩阵为式中: c=cos, s=sin。

　　1·2　AVEN驱动机构运动正解分析

　　AVEN驱动机构运动正解分析就是根据驱动作动筒的位移输出(A9转向控制环姿态),确定喷管的A9面积和矢量转角α。

　　图1中,根据坐标变换得拉杆与A9转向控制环铰接点Ai在绝对坐标系中的坐标为

式中:i为调节片编号, i=1,2,3,…,n;i=2πi/n,n为周向分布的调节片数目; l1为A9转向环宽度; x→为x轴单位向量; n→为A9转向环法向矢量; t0i→为过O1与A9转向环法向矢量垂直且与y轴夹角为i的矢量。