推力矢量技術

推力矢量技術

推力矢量技術(推力矢量技術)

推力矢量技術是指發動機推力通過噴管或尾噴流的偏轉產生的推力分量來替代原飛機的操縱面或增強飛機的操縱功能，對飛機的飛行進行實時控制的技術。對它的應用，還得依靠計算機、電子技術、自動控制技術、發動機制造技術、材料和工藝等技術的一體化發展。

利用推力矢量技術到新設計和改型的下一世紀軍用飛機上，的確是一個有效的技術突破口，它對戰斗機的隱身、減阻，減重都十分有效。 推力矢量技術能讓發動機推力的一部分變成操縱力，代替或部分代替操縱面，從而大大減少了雷達反射面積；不管迎角多大和飛行速度多低，飛機都可利用這部分操縱力進行操縱，這就增加了飛機的可操縱性。由于直接產生操縱力，并且量值和方向易變，也就增加了飛機的敏捷性，因而可適當地減小或去掉垂尾，也能替代其他一些操縱面。這對降低飛機的可探測性是有利的，也能使飛機的阻力減小，結構重減輕。因此，使用推力矢量技術是解決設計矛盾的最佳選擇。許多年來，美、俄等國作了大量的飛行試驗，證明了利用推力矢量技術的確能達到預定的目的。 1991年4月海灣戰爭結束后，五角大樓拿出500億美元，研制不同于F-117的新型隱身飛機，使用了推力矢量技術，于是就有了基本滿足上述多種要求的F-22戰斗機。俄羅斯開展隱身和推力矢量技術的應用研究包括，米格1.44利用發動機向不同方向發出的氣流的反作用力可以迅速改變方向。《簡氏防務周刊》在1992年就說俄羅斯人已經超越了F-117，直接研制出了現代的超聲速攻擊機，成了F-22的競爭對手。 后來的研究還表明，當飛機在飛行速度較低時，采用推力轉向這種飛行控制裝置是絕對有利的，速度大時，代價要大些，但是從保證飛行控制有足夠的安全裕度出發還是需要配備一些操縱面。代替垂尾起偏航操縱的一些操縱面研究，對于使用推力矢量技術的無尾飛機的研究來說，也是一項艱巨的任務。其中包括復雜的控制軟件的研究。

折流板

70年代中期，德國MBB公司的飛機設計師沃爾夫崗·赫爾伯斯提出利用控制發動機尾噴流的方向來提高飛機的機動能力。1985年美國國防預研局和MBB公司聯合進行了可行性研究，1990年3月，美國Rockwell公司、Boeing公司和德國MBB公司共同研制的在發動機尾噴口裝有可改變推力方向的3塊碳纖維復合材料舵面的試驗驗證飛機X-31出廠，并進行了試飛，其舵面可相對發動機軸線偏轉±10°，在迎角為70°時仍能操作自如，并具有過失速機動能力(1,2)。

發展

從1993年11月－1994年年底，在X-31與F-18之間進行了一系列的模擬空戰，在X-31飛機不使用推力矢量技術與F/A-18飛機同向并行開始空中格斗的情況下，16次交戰中F-18贏了12次；而在X-31使用推力矢量技術時66次交戰X-31贏了64次[3]。此外，美國在F-14和F-18上分別安裝折流板進行了試驗。 一般來說，折流板方案是在飛機的機尾罩外側加裝3或4塊可作向內、向外徑向轉動的尾板，靠尾板的轉向來改變飛機尾氣流的方向，實現推力矢量。這種方案的特點是發動機無需做任何改裝，適于在現役飛機上進行試驗。其優點是結構簡單，成本較低，作為試驗研究有一定價值。但有較大的死重和外廓尺寸，推力矢量工作時效率低，對飛機隱身和超音速巡航不利，所以它僅是發展推力矢量技術的一種試驗驗證方案。 二元矢量噴管 二元矢量噴管是飛機的尾噴管能在俯仰和偏航方向偏轉，使飛機能在俯仰和偏航方向上產生垂直于飛機軸線附加力矩，因而使飛機具有推力矢量控制能力。二元矢量噴管通常是矩形的，或者是四塊可以配套轉動的調節板。二元矢量噴管的種類有：二元收斂－擴散噴管（2DCDN）、純膨脹斜坡噴管（SERN）、二元楔體式噴管（2DWN）、滑動喉道式噴管（STVN）和球面收斂調節片噴管（SCFN）等。 通過研究證實，二元矢量噴管易于實現推力矢量化。在80年代末，美國兩架預研戰斗機YF-22/F119和YF-23/F120均采用了這種矢量噴管。 二元矢量噴管的缺點是結構比較笨重，內流特性較差。 軸對稱矢量噴管 推力矢量技術的研究最初集中在二元矢量噴管，但隨著研究的深入發現二元噴管優點雖多但缺點也很明顯，尤其是移植到現役飛機上相當困難。因此又發展了軸對稱推力矢量噴管。GE公司在20世紀80年代中期開始軸對稱推力矢量噴管的研制，其研制的噴管由3個A9/轉向調節作動筒、4個A8/喉道面積調節作動筒、3個調節環支承機構、噴管控制閥以及一組耐熱密封片等構成。 流場推力矢量噴管 流場推力矢量噴管完全不同于前面幾種機械作動式推力矢量噴管，其主要特點在于通過在噴管擴散段引入側向次氣流（Secondary Fluid）去影響主氣流的狀態，以達到改變和控制主氣流的`面積和方向，進而獲取推力矢量的目的。它的最主要優點是省卻了大量的實施推力矢量用的機械運動件，簡化了結構，減輕了飛機重量，降低了維護成本。

方式

實現流場推力矢量控制有多種途徑，目前研究的有以下方式： 1）噴流推力矢量控制 以氣流經噴管擴散段的一個或多個噴射孔射入，強迫主氣流附靠到噴射孔對側的壁面上流動，從而產生側向力； 2）反流推力矢量控制 在噴管出口截面的外部加一個外套，形成反向流動的反流腔道，在需要主流偏轉時，啟動抽吸系統形成負壓，使主氣流偏轉產生側向力； 3）機械/流體組合式推力矢量控制 在距喉道一段距離處，裝有一個或多個長度相當于喉道直徑15%-35%的可轉動的小型氣動調節片，由伺服機構控制轉動，并可在非矢量狀態時縮進管壁，通過調節片的擾流使氣流偏轉，產生側向力

比較

這幾種推力矢量裝置中，折流板方案只在X-31、F-14、F-18等飛機上做了試驗驗證，說明推力矢量控制飛機是有效用的，沒有被后來發展的推力矢量技術方案所采用。二元矢量噴管研究最早，技術也最為成熟，已經為F-22等飛機所采用。軸對稱推力矢量噴管的研究稍晚于二元矢量噴管，但發展較快，己被SU-35、SU-37所采用。比較而言，軸對稱矢量噴管比二元矢量噴管功能更為優越，技術難度更大，所以現在各國的研究發展重點已經轉移到了軸對稱矢量噴管上。流場推力矢量噴管則因為研究較晚，仍在研究探索階段，離實用尚有一段距離，但將是最有前途推力矢量噴管。

戰斗機應用了推力矢量技術后，戰術效果有很大的提高，根據美國、俄羅斯的應用經驗及飛行驗證，的確如此。戰斗機戰術效果的提高可從幾方面來說明： 1) 起飛著陸機動性、安全性加大 起飛著陸機動性、安全性加大。由于在起飛著陸過程中，都能使用推力轉向來增加升力，從而使滑跑距離大大縮短，若用推力反向，那么效果更為明顯，因此對機場要求降低，使飛機的使用更為機動。對氣候的要求也可放松，不怕不對稱結冰、突風、小風暴對飛機的擾動，也減輕了起落架毀壞帶來的影響，戰斗力相對提高。 2) 加強了突防能力、靈活性、生存率 和攻擊的突然性，這是因為減少了雷達反射面積和增加了機動性。這種突然性很為寶貴，美國空軍航空系統分部司令約翰M.洛赫將軍說過，在過去被擊落的飛行員中有80%未見到是誰向他們開火的。生存率的提高增加了飛行員的信心，還可相應減少戰斗機的配備，美國空軍計劃將空軍戰斗機縮減35%。 3) 航程有所加大 則增加了攻擊或防衛的范圍。使用了推力矢量技術后由于舵面積的減少可使阻力減小，燃油消耗減小，相應航程加大，另外，尾部重量的減少可導至飛機總重的較大減小，相應可增加燃油，又可加大航程。 4) 近距格斗戰斗力提高 開辟了全新的空中格斗戰術。主要是可控迎角擴大很多，大大超過了失速迎角，機頭指向能力加強，提高了武器的使用機會。而且操縱力的增加使敏捷性增加。大的俯仰速率能夠使飛機快速控制大迎角，使機頭能精確停在能截獲目標的位置，同時盡可能按照所希望停留時間，維持和實時調整這個迎角以便機頭指向目標、鎖定和開火，隨后快速推桿，使飛機回復到較小的迎角（還原和復位）。常規飛機通常限制在遠低于失速迎角的條件下飛行，如F-104飛機僅用了失速迎角的50%，現代戰斗機大約用了失速迎角的80%，而用推力轉向的X-31A飛機能達到失速迎角的2倍。此外繞俯仰軸的推力轉向還能大大增加升力系數，則在支撐同樣飛機重量下可使飛機速度及角點速度降低，飛行角點速度低，有利于飛機改變方向，轉彎半徑可大大減小，轉彎速率卻能加大。在兩機迎面相遇狀態，轉彎半徑小、轉彎速率大的飛機就能提前瞄準對方開火，從而贏得格斗的勝利。X-31飛機轉彎半徑大約為143米，有效轉彎速率大約每秒80.6°，因此在與F-18、F-16等飛機格斗中，明顯占優勢。蘇-37能快速安全下俯，水平加速，還能節省發動機功率30%。它的"鐘形"和"眼鏡蛇"機動可射中近距的F-22和F-117。 5) 提高了空對地的攻擊性能 命中率有所提高，投彈后規避動作也更敏捷。 簡而言之，推力矢量技術就是通過偏轉發動機噴流的方向,從而獲得額外操縱力矩的技術。

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