推力矢量技術(shù)

利用推力矢量技術(shù)到新設(shè)計(jì)和改型的下一世紀(jì)軍用飛機(jī)上，的確是一個(gè)有效的技術(shù)突破口，它對戰(zhàn)斗機(jī)的隱身、減阻，減重都十分有效。

推力矢量技術(shù)能讓發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)反射面積;不管迎角多大和飛行速度多低，飛機(jī)都可利用這部分操縱力進(jìn)行操縱，這就增加了飛機(jī)的可操縱性。由于直接產(chǎn)生操縱力，并且量值和方向易變，也就增加了飛機(jī)的敏捷性，因而可適當(dāng)?shù)販p小或去掉垂尾，也能替代其他一些操縱面。這對降低飛機(jī)的可探測性是有利的，也能使飛機(jī)的阻力減小，結(jié)構(gòu)重減輕。因此，使用推力矢量技術(shù)是解決設(shè)計(jì)矛盾的最佳選擇。許多年來，美、俄等國作了大量的飛行試驗(yàn)，證明了利用推力矢量技術(shù)的確能達(dá)到預(yù)定的目的。

1991年4月海灣戰(zhàn)爭結(jié)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(jī)，使用了推力矢量技術(shù)，于是就有了基本滿足上述多種要求的F-22戰(zhàn)斗機(jī)。俄羅斯開展隱身和推力矢量技術(shù)的應(yīng)用研究包括，米格1.44利用發(fā)動(dòng)機(jī)向不同方向發(fā)出的氣流的反作用力可以迅速改變方向?！逗喪戏绖?wù)周刊》在1992年就說俄羅斯人已經(jīng)超越了F-117，直接研制出了現(xiàn)代的超聲速攻擊機(jī)，成了F-22的競爭對手。

后來的研究還表明，當(dāng)飛機(jī)在飛行速度較低時(shí)，采用推力轉(zhuǎn)向這種飛行控制裝置是絕對有利的，速度大時(shí)，代價(jià)要大些，但是從保證飛行控制有足夠的安全裕度出發(fā)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(shù)的無尾飛機(jī)的研究來說，也是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。其中包括復(fù)雜的控制軟件的研究。

應(yīng)用推力矢量技術(shù)所涉及的技術(shù)是很多的，主要有尾噴流轉(zhuǎn)向裝置，尾噴流轉(zhuǎn)向控制及其與發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)的配合，尾噴流轉(zhuǎn)向?qū)︼w機(jī)總體性能影響的預(yù)測及飛行演示等。

發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴流轉(zhuǎn)向裝置要求結(jié)構(gòu)牢固、緊湊、耐用、密封性好、重量輕、轉(zhuǎn)向效益高、轉(zhuǎn)向快、阻力小。

尾噴流轉(zhuǎn)向控制范圍一般在20°內(nèi)，但要求快速準(zhǔn)確，而且要與發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)和飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)，因此不僅控制硬件眾多，控制軟件也非常復(fù)雜。國外也認(rèn)為這是應(yīng)用推力矢量技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)?？刂坡傻难芯颗c水平的提高還取決于所使用的氣動(dòng)力數(shù)據(jù)和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力模型等的準(zhǔn)確度。

90年代以來，洛克希德?馬丁公司、萊特實(shí)驗(yàn)室、通用電器公司、空軍飛行試驗(yàn)中心聯(lián)合，已完成了VIS TA/F-16飛機(jī)多軸推力矢量(MATV)控制律的設(shè)計(jì)和評價(jià)。控制律在使飛行員能在飛機(jī)完全可控 狀態(tài)下進(jìn)行機(jī)動(dòng)方面起了關(guān)鍵作用。MATV控制系統(tǒng)包括幾種運(yùn)行模式/狀態(tài)。設(shè)計(jì)MATV控制率的關(guān)鍵問題包括最優(yōu) 縱、橫向指令結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、精確可靠的迎角和側(cè)滑角計(jì)算器的研制和控制系統(tǒng)對空氣動(dòng)力不確定度的穩(wěn)定性的驗(yàn)證。另外，數(shù)字式增穩(wěn)控制型飛行試驗(yàn)控制律更新的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)對于改進(jìn)MATV大迎角橫向飛行品質(zhì)是有幫助的。

國外已開展使用推力轉(zhuǎn)向和/或有眾多操縱面的無尾飛機(jī)或半無尾飛機(jī)的控制研究和風(fēng)洞試驗(yàn)。

關(guān)于使用推力轉(zhuǎn)向后對飛機(jī)總體性能影響的預(yù)測和飛行演示在前兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)完成的基礎(chǔ)上主要是涉及經(jīng)費(fèi)問題。預(yù)測工作主要在大風(fēng)洞進(jìn)行，試驗(yàn)變量為迎角、側(cè)滑角，風(fēng)速(M數(shù))及落壓比，同時(shí)需要流場顯示，以利試驗(yàn)結(jié)果分析，試驗(yàn)時(shí)特別要注意測量與非測量部分交接處的密封，但又不得傳力。

飛行演示是個(gè)綜合性技術(shù)驗(yàn)證，使用推力轉(zhuǎn)向的飛機(jī)由于控制系統(tǒng)復(fù)雜，更是不可少，但飛行演示前，也可先用模擬器進(jìn)行演示，或利用"虛擬飛行試驗(yàn)系統(tǒng)"進(jìn)行評估。

我們知道，作用在飛機(jī)上的推力是一個(gè)有大小、有方向的量，這種量被稱為矢量。然而，一般的飛機(jī)上，推力都順飛機(jī)軸線朝前，方向并不能改變，所以我們?yōu)榱藦?qiáng)調(diào)這一技術(shù)中推力方向可變的特點(diǎn)，就將它稱為推力矢量技術(shù)。 不采用推力矢量技術(shù)的飛機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的噴流都是與飛機(jī)的軸線重合的，產(chǎn)生的推力也沿軸線向前，這種情況下發(fā)動(dòng)機(jī)的推力只是用于克服飛機(jī)所受到的阻力，提供飛機(jī)加速的動(dòng)力。 采用推力矢量技術(shù)的飛機(jī)，則是通過噴管偏轉(zhuǎn)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力，獲得多余的控制力矩，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的姿態(tài)控制。其突出特點(diǎn)是控制力矩與發(fā)動(dòng)機(jī)緊密相關(guān)，而不受飛機(jī)本身姿態(tài)的影響。因此，可以保證在飛機(jī)作低速、大攻角機(jī)動(dòng)飛行而操縱舵面幾近失效時(shí)利用推力矢量提供的額外操縱力矩來控制飛機(jī)機(jī)動(dòng)。

第四代戰(zhàn)斗機(jī)要求飛機(jī)要具有過失速機(jī)動(dòng)能力，即大迎角下的機(jī)動(dòng)能力。推力矢量技術(shù)恰恰能提供這一能力，是實(shí)現(xiàn)第四代戰(zhàn)斗機(jī)戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)要求的必然選擇。 我們可以通過圖解來了解推力矢量技術(shù)的原理。 普通飛機(jī)的飛行迎角是比較小的，在這種狀態(tài)下飛機(jī)的機(jī)翼和尾翼都能夠產(chǎn)生足夠的升力，保證飛機(jī)的正常飛行。當(dāng)飛機(jī)攻角逐漸增大，飛機(jī)的尾翼將陷入機(jī)翼的低能尾流中，造成尾翼失速，飛機(jī)進(jìn)入尾旋而導(dǎo)致墜毀。這個(gè)時(shí)候，縱然發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，也無法使飛機(jī)保持平衡停留在空中。 然而當(dāng)飛機(jī)采用了推力矢量之后，發(fā)動(dòng)機(jī)噴管上下偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的推力不再通過飛機(jī)的重心，產(chǎn)生了繞飛機(jī)重心的俯仰力距，這時(shí)推力就發(fā)揮了和飛機(jī)操縱面一樣的作用。由于推力的產(chǎn)生只與發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)系，這樣就算飛機(jī)的迎角超過了失速迎角，推力仍然能夠提供力矩使飛機(jī)配平，只要機(jī)翼還能產(chǎn)生足夠大的升力，飛機(jī)就能繼續(xù)在空中飛行了。而且，通過實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)推力偏轉(zhuǎn)之后，不僅推力能產(chǎn)生直接的投影升力，還能通過超環(huán)量效應(yīng)令機(jī)翼產(chǎn)生誘導(dǎo)升力，使總的升力提高。

裝備了推力矢量技術(shù)的戰(zhàn)斗機(jī)由于具有了過失速機(jī)動(dòng)能力，擁有極大的空中優(yōu)勢，美國用裝備了推力矢量技術(shù)的X-31驗(yàn)證機(jī)與F-18做過模擬空戰(zhàn)，結(jié)果X-31以1:32的戰(zhàn)績遙遙領(lǐng)先于F-18。 使用推力矢量技術(shù)的飛機(jī)不僅其機(jī)動(dòng)性大大提高，而且還具有前所未有的短距起落能力，這是因?yàn)槭褂猛屏κ噶考夹g(shù)的飛機(jī)的超環(huán)量升力和推力在升力方向的分量都有利于減小飛機(jī)的離地和接地速度，縮短飛機(jī)的滑跑距離。另外，由于推力矢量噴管很容易實(shí)現(xiàn)推力反向，飛機(jī)在降落之后的制動(dòng)力也大幅提高，因此著陸滑跑距離更加縮短了。

如果發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管不僅可以上下偏轉(zhuǎn)，還能夠左右偏轉(zhuǎn)，那么推力不僅能夠提供飛機(jī)的俯仰力矩，還能夠提供偏航力矩，這就是全矢量飛機(jī)。 推力矢量技術(shù)的運(yùn)用提高了飛機(jī)的控制效率，使飛機(jī)的氣動(dòng)控制面，例如垂尾和立尾可以大大縮小，從而飛機(jī)的重量可以減輕。另外，垂尾和立尾形成的角反射器也因此縮小，飛機(jī)的隱身性能也得到了改善。

推力矢量技術(shù)是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，它包括推力轉(zhuǎn)向噴管技術(shù)和飛機(jī)機(jī)體/推進(jìn)/控制系統(tǒng)一體化技術(shù)。推力矢量技術(shù)的開發(fā)和研究需要尖端的航空科技，反映了一個(gè)國家的綜合國力，目前世界上只有美國和俄羅斯掌握了這一技術(shù)，F(xiàn)-22和Su-35就是兩國裝備了這一先進(jìn)技術(shù)的各自代表機(jī)種。 我國現(xiàn)在也展開了對推力矢量技術(shù)的預(yù)先研究，并取得了一定的成果，相信在不遠(yuǎn)的將來，我們的飛機(jī)也能夠裝備上這一先進(jìn)技術(shù)翱翔藍(lán)天，增強(qiáng)我國的國防實(shí)力。

推力矢量技術(shù)是指發(fā)動(dòng)機(jī)推力通過噴管或尾噴流的偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力分量來替代原飛機(jī)的操縱面或增強(qiáng)飛機(jī)的操縱功能，對飛機(jī)的飛行進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的技術(shù)。對它的應(yīng)用，還得依靠計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)、材料和工藝等技術(shù)的一體化發(fā)展。

實(shí)現(xiàn)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(jīng)噴管擴(kuò)散段的一個(gè)或多個(gè)噴射孔射入，強(qiáng)迫主氣流附靠到噴射孔對側(cè)的壁面上流動(dòng)，從而產(chǎn)生側(cè)向力;

2)反流推力矢量控制

在噴管出口截面的外部加一個(gè)外套，形成反向流動(dòng)的反流腔道，在需要主流偏轉(zhuǎn)時(shí)，啟動(dòng)抽吸系統(tǒng)形成負(fù)壓，使主氣流偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生側(cè)向力;

3)機(jī)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(gè)或多個(gè)長度相當(dāng)于喉道直徑15%-35%的 可轉(zhuǎn)動(dòng)的小型氣動(dòng)調(diào)節(jié)片，由伺服機(jī)構(gòu)控制轉(zhuǎn)動(dòng)，并可在非矢量狀態(tài)時(shí)縮進(jìn)管壁，通過調(diào)節(jié)片的擾流使氣流偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生側(cè)向力

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(jī)上做了試驗(yàn)驗(yàn)證，說明推力矢量控制飛機(jī)是有效用的，沒有被后來發(fā)展的推力矢量技術(shù)方案所采用。二元矢量噴管研究最早，技術(shù)也最為成熟，已經(jīng)為F-22等飛機(jī)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(fā)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(yōu)越，技術(shù)難度更大，所以現(xiàn)在各國的研究發(fā)展重點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了軸對稱矢量噴管上。流場推力矢量噴管則因?yàn)檠芯枯^晚，仍在研究探索階段，離實(shí)用尚有一段距離，但將是最有前途推力矢量噴管。

某軍刊曾介紹我國高推重比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)研制成功!TVC軸對稱矢量噴管研制成功!

飛機(jī)推力矢量技術(shù)是通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)排氣方向?yàn)轱w機(jī)提供更強(qiáng)的轉(zhuǎn)向力矩的技術(shù)。飛機(jī)推力矢量技術(shù)的應(yīng)用能賦予戰(zhàn)斗機(jī)超機(jī)動(dòng)性、短距起降和低的可探測性，極大地提高戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)有效性和生存能力。美國、俄羅斯等發(fā)達(dá)國家都將其作為重要技術(shù)優(yōu)先發(fā)展。

在飛機(jī)推力矢量技術(shù)的研究中，改變發(fā)動(dòng)機(jī)排氣方向，即推力矢量噴管的研究是關(guān)鍵且具決定意義的一環(huán)，必須首先研究發(fā)展。軸對稱矢量噴管(AVEN)是在常規(guī)機(jī)械式收擴(kuò)噴管上發(fā)展出來的一種推力矢量噴管，通過噴管擴(kuò)散段的偏轉(zhuǎn)改變發(fā)動(dòng)機(jī)排氣方向。就整個(gè)飛機(jī)推力矢量技術(shù)來講，AVEN具有簡單、輕質(zhì)、低風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，對飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)的改裝要求小，是實(shí)施推力矢量技術(shù)的最佳噴管方案。AVEN技術(shù)研究的目標(biāo)是完成目標(biāo)平臺(tái)渦扇型的AVEN試驗(yàn)件的研制，并實(shí)現(xiàn)熱態(tài)試車。

但是我國的矢量發(fā)動(dòng)機(jī)又有了新的突破，但是鑒于機(jī)密，暫時(shí)不能公開。