本书基于作者及其团队过去 ２０ 余年对轴对称推力矢量喷管 (ＡＶＥＮ)的研究成果撰写，包括第五代战斗机的介绍及定义要素，机械式推力矢量
喷管及我国 (ＡＶＥＮ) 的研发历程，大推力三环驱动 ＡＶＥＮ，ＡＶＥＮ 运动分析、 三维结构设计与仿真，ＡＶＥＮ 运动反解与变形控制补偿，ＡＶＥＮ 故障应急防护及中立复位，并联机构奇异构型分岔复杂性，ＡＶＥＮ 中的奇异构型，以及提高 ＡＶＥＮ 奇异构型动态稳定性的方法等内容。
本书可以作为第五代战斗机推力矢量与飞机机翼一体化设计人员及控制编程人员了解 ＡＶＥＮ 运动与控制机理的参考书，也可以作为航空航天并
联机构应用研究设计人员规避并联机构运动奇异性设计与控制的参考书。本书对于国防爱好者了解世界推力矢量技术的发展有帮助，值得收藏。

1987-1996：天津大学机械系，讲师、副教授；
1997-2001：天津大学机械学院，教授、博士导师；
2002-2007：同济大学机电学院，特聘教授；
2008-2011：浙江大学机械设计所，常务副所长，教授；
2012-现在：中国石油大学华东教授。

前 言
第 １ 章 喷气发动机推力矢量控制
技术 １
１?? １ 第五代战斗机的定义要素 １
１?? ２ 推力矢量控制技术 (ＴＶＣ) ２
１?? ２?? １ 推力矢量 ２
１?? ２?? ２ 推力矢量的实施方法 ３
１?? ３ 推力矢量控制技术的应用 ４
１?? ３?? １ 应用推力矢量控制技术的飞机 ４
１?? ３?? ２ 典型的推力矢量喷管及飞机 ５
１?? ４ ＴＶＣ 对飞机超机动性能的改善 １２
１?? ４?? １ 推力矢量对飞机超机动的
必要性 １３
１?? ４?? ２ 推力矢量对飞机性能的改善 １５
１?? ５ 小结 １７
参考文献 １７
第 ２ 章 机械式推力矢量喷管 １９
２?? １ 机械式推力矢量喷管的发展历程 １９
２?? １?? １ 推力矢量喷管的发展历程 １９
２?? １?? ２ 我国推力矢量喷管的发展历程 ２４
２?? ２ 机械式推力矢量喷管的性能 ２７
２?? ２?? １ ＳＣＦＮ 推力矢量喷管 ２７
２?? ２?? ２ 轴对称推力矢量喷管
(ＡＶＥＮ) ３０
２?? ３ 轴对称推力矢量喷管的结构设计 ３３
２?? ３?? １ 转向驱动环定心机构 ３３
２?? ３?? ２ 扩张段密封悬挂机构 ３６
２?? ４ 小结 ３９
参考文献 ４０
第 ３ 章 大推力三环驱动 ＡＶＥＮ 的
结构创新 ４１
３?? １ 三环驱动 ＡＶＥＮ 方案 ４１
３?? １?? １ 三环驱动方案的结构组成 ４１
３?? １?? ２ 三环驱动方案的运动机理 ４３
３?? １?? ３ 三环驱动方案的特点 ４５
３?? ２ 三环驱动 ＡＶＥＮ 构件的变形分析 ４５
３?? ２?? １ ＡＶＥＮ 受力分析 ４５
３?? ２?? ２ ＡＶＥＮ 变形分析 ４８
３?? ３ 大推力发动机三环驱动 ＡＶＥＮ
方案创新 ５２
３?? ３?? １ 三环驱动 ＡＶＥＮ 收敛段驱动
方式 ５３
３?? ３?? ２ 大推力发动机三环驱动 ＡＶＥＮ
方案创新 ５５
３?? ３?? ３ 三环多作动筒驱动方案 ５８
３?? ４ 小结 ５９
第 ４ 章 ＡＶＥＮ 运动分析与尺寸优化 ６０
４?? １ ＡＶＥＮ 运动分析 ６０
４?? １?? １ ＡＶＥＮ 运动机理 ６０
４?? １?? ２ 转向驱动环运动分析 ６２
４?? １?? ３ 扩张调节片运动分析 ６６
４?? １?? ４ 扩张密封片 ６７
４?? ２ ＡＶＥＮ 线架仿真 ６７
４?? ２?? １ 非线性方程求解初值问题 ６７
４?? ２?? ２ ＡＶＥＮ 线架仿真 ７２
４?? ３ ＡＶＥＮ 性能评价 ７５
４?? ３?? １ 制约 ＡＶＥＮ 性能的因素 ７５
４?? ３?? ２ ＡＶＥＮ 尺寸与性能的关系 ７６
４?? ４ ＡＶＥＮ 性能优化 ７９
４?? ４?? １ 数学模型 ７９
４?? ４?? ２ 优化结果 ８１
４?? ５ 小结 ８２
参考文献 ８２
第 ５ 章 ＡＶＥＮ 三维仿真与结构优化
集成平台 ８３
５?? １ “后台预置” 装配方法 ８３
５?? １?? １ 约束装配存在的问题和
“后台预置” 装配方法的提出 ８３
５?? １?? ２ “后台预置” 装配方法 ８５
５?? １?? ３ 基于 ＵＧ 平台的 ＡＶＥＮ 虚拟
装配 ８７
５?? ２ 面向对象 ＡＶＥＮ 三维实体造型 ９８
５?? ２?? １ 面向对象产品开发系统的组成 ９８
５?? ２?? ２ 构件的参数模型与数据驱动 １００
５?? ２?? ３ ＡＶＥＮ 三维零件数据库 １０５
５?? ３ 面向对象 ＡＶＥＮ 结构优化集成平台 １０７
５?? ３?? １ 面向对象 ＡＶＥＮ 尺寸优化设计 １０７
５?? ３?? ２ 面向对象 ＡＶＥＮ 性能优化集成
平台 １１１
５?? ４ 小结 １１４
第 ６ 章 ＡＶＥＮ 实时运动反解及
其解析式 １１５
６?? １ ＡＶＥＮ 运动反解近似模型 １１５
６?? １?? １ ＡＶＥＮ 运动反解参数 １１５
６?? １?? ２ 构件位姿描述 １１７
６?? １?? ３ 特殊位置扩张调节片位姿 １１９
６?? １?? ４ 时变几何体描述 １２３

前 言
在 ２０１８ 年 １１ 月 ６ 日举办的中国国际航空航天博览会 (珠海航展) 上，加装轴对称推力矢量喷管 (ＡＶＥＮ) 的 Ｊ￣１０Ｂ 成功展示了其超机动能力。作为我国 ＡＶＥＮ 的主要关键研究人员，我所率领的团队创造性地解决了制约我国 ＡＶＥＮ 研制进程的一系列关键科学技术问题，为我国 ＡＶＥＮ 技术的立项、 发展，提高安全性与运动控制可靠性等做出了重大贡献。出版本书是为了对过去 ２０ 余年从事该项科研工作进行总结，同时向同仁、 前辈汇报，感谢他们给予的鼎力支持与帮助。
ＡＶＥＮ 的矢量转向是由并联机构驱动的。因奇异运动是并联机构的固有特性，隐藏在轴对称推力矢量喷管内部的奇异失控运动，给含 ＡＶＥＮ 的先进战斗机的飞行带来安全隐患。ＡＶＥＮ 的奇异运动异常复杂，既有矢量转向驱动并联机构的运动奇异问题，又有空间闭环ＲＳＲＲ 运动链的奇异问题，更有矢量喷口构型奇异分岔问题，规避奇异运动对 ＡＶＥＮ 运动可靠性的消极影响非常困难。课题组对 ＡＶＥＮ 进行了系统而全面的基础理论研究，但受能力与团队人力的限制，相对 ＡＶＥＮ 科学问题的复杂性与艰巨性而言，这些研究远没有达到完全保障其结构与运动可靠性的程度。
在 １９９８ 年 １２ 月于北京饭店举行的霍英东教育基金会青年教师奖颁奖大会上，作为该届１０ 位一等奖获得者的代表，我有幸与霍英东先生等人共餐。席间，有德高望重的专家对部分青年教师热衷于各种荣誉、 奖项的评选持批评态度，令我感触很深，于是暗下决心，希望能够寻找一个有价值、 能够长期研究，并对国家发展有重要价值的研究课题。１９９９ 年，项目牵头单位的季鹤鸣研究员到国内多所著名院校，就开展 ＡＶＥＮ 预研的可行性进行调研。在天津大学调研时，我对课题表达了强烈的兴趣，并对学院领导提出独立率队进行研究的要求。在经费、 信息资料非常有限的情况下，经过团队 ７ 个月的不懈努力，以咨询报告的形式，论证了 ＡＶＥＮ 的结构组成、 运动机理、 尺寸参数对其性能的影响等相关问题，首次给出了线架动态仿真结果。由此，作者所率领的团队从众多研究团队中脱颖而出，研究实力得到有关单位的高度赞赏与肯定。取得这一进展的关键在于超大规模复杂空间机构位置的求解方法，即便现在，其仍是非常复杂与困难的问题。
接下来，有关单位加强了与课题组的合作，提出采用三维仿真平台替代线架仿真的研究课题。由于扩张调节片在喷管矢量偏转过程中发生切向偏转，且相邻两扩张调节片的切向偏转角相差较大，导致难以建立基于约束装配的 ＡＶＥＮ 的三维仿真模型，必须采用其他方法。为此，课题组提出 “后台预置” 装配的学术思想，解决了 ＡＶＥＮ 的三维虚拟仿真问题。基于句柄捕捉技术与二次开发 ＡＰＩ 工具，王金民将构成构件插入三维平台，喻宏波采用 Ｃ 语言在 ＭＤＴ、 ＮＸ 平台上利用获得的 ＡＶＥＮ 运动分析数据，实现了 ＡＶＥＮ 的三维虚拟仿真，使我国 ＡＶＥＮ 的关键技术指标达到国际先进水平。项目牵头单位独立申请的成果，获得原国防科学技术工业委员会科技进步一等奖。ＡＶＥＮ 的三维虚拟仿真是国际性难题，即便是含有碰撞接触等功能的先进仿真软件，依然不能解决 ＡＶＥＮ 的三维动态矢量偏转仿真问题。进一步，姜杉构建了 ＡＶＥＮ 尺寸优化、 结构设计与三维动态仿真一体化、 自动化平台，在 ＡＶＥＮ减重设计与结构及性能优化方面，发挥了重要作用。
ＡＶＥＮ 的实时运动反解及其解析表达是推力矢量发动机与飞机机翼一体化电传控制系统设计的理论基础，是加装推力矢量发动机飞机上天试飞的关键技术问题。针对飞机机翼与推力矢量发动机一体化设计的需求，通过假设喷口面积的近似双半椭圆分布模型，王仪明等建立了喷口面积、 几何矢量偏转角等运动反解参数与转向驱动环位姿参数之间的关系方程，得到 ＡＶＥＮ 运动反解的近似模型。通过补偿精确反解模型与近似模型的微分差，给出了 ＡＶＥＮ实时反解控制模型，为推力矢量发动机与飞机机翼一体化电传控制系统的设计奠定了理论基础。针对含推力矢量发动机的飞机因格斗或其他原因，可能出现 ＡＶＥＮ 断电、 断油及主控系统失灵等故障，给含推力矢量发动机飞机的飞行安全带来隐患，段渝波发明了一种 Ａ９ 环作动筒应急复位液压系统，基于特殊设计的滑阀及其配套的液压辅助系统，在断电、 断油或控制器失灵等状态下，该系统能够将 Ａ９ 环作动筒自动复位到设定的中立位置，从而确保故障状态下的战斗机安全返航。在此基础上，为 ＡＶＥＮ 增加了一种 Ａ９ / Ａ８ 面积比防护系统，实
现了对发动机的保护，提高了含 ＡＶＥＮ 发动机的工作安全性与矢量喷管扩张段的可靠性。
隐藏在 ＡＶＥＮ 内部的运动奇异性给含推力矢量发动机的先进战斗机的飞行安全带来严重的隐患，为了提高含推力矢量发动机的先进战斗机的飞行安全性，课题组在解决制约 ＡＶＥＮ预研关键技术难题后，对规避并联机构运动奇异性问题进行了系统化研究。在国家自然科学基金课题: 并联机器人构型保持性与运动可控性研究 (５０３７５１１１)、 动态规避并联机构运动奇异性扰动函数方法研究 (５０６７５１