推力矢量技术

飞机推力控制技术推力矢量技术01简介技术分类战术效果应用控制途径关键技术目录0305020406基本信息推力矢量是指飞机将其推力从它的发动机平行方向引向其它方向的技术。推力矢量技术除了可以提供垂直起降或短距起降能力外，还能在空战中为飞机提供额外的机动力。推力矢量一般用可以转动的向量喷嘴或者扰流片来实现。简介简介推力矢量是指飞机将其推力从它的发动机平行方向引向其它方向的技术。推力矢量技术除了可以提供垂直起降或短距起降能力外，还能在空战中为飞机提供额外的机动力。推力矢量一般用可以转动的向量喷嘴或者扰流片来实现。应用应用利用推力矢量技术到新设计和改型的下一世纪军用飞机上，的确是一个有效的技术突破口，它对战斗机的隐身、减阻，减重都十分有效。推力矢量技术能让发动机推力的一部分变成操纵力，代替或部分代替操纵面，从而大大减少了雷达反射面积；不管迎角多大和飞行速度多低，飞机都可利用这部分操纵力进行操纵，这就增加了飞机的可操纵性。由于直接产生操纵力，并且量值和方向易变，也就增加了飞机的敏捷性，因而可适当地减小或去掉垂尾，也能替代其他一些操纵面。这对降低飞机的可探测性是有利的，也能使飞机的阻力减小，结构重减轻。因此，使用推力矢量技术是解决设计矛盾的最佳选择。许多年来，美、俄等国作了大量的飞行试验，证明了利用推力矢量技术的确能达到预定的目的。1991年4月海湾战争结束后，五角大楼拿出500亿美元，研制不同于F-117的新型隐身飞机，使用了推力矢量技术，于是就有了基本满足上述多种要求的F-22战斗机。俄罗斯开展隐身和推力矢量技术的应用研究包括，米格1.44利用发动机向不同方向发出的气流的反作用力可以迅速改变方向。《简氏防务周刊》在1992年就说俄罗斯人已经超越了F-117，直接研制出了现代的超声速攻击机，成了F-22的竞争对手。后来的研究还表明，当飞机在飞行速度较低时，采用推力转向这种飞行控制装置是绝对有利的，速度大时，代价要大些，但是从保证飞行控制有足够的安全裕度出发还是需要配备一些操纵面。技术分类技术分类发展70年代中期，德国MBB公司的飞机设计师沃尔夫岗·赫尔伯斯提出利用控制发动机尾喷流的方向来提高飞机的机动能力。1985年美国国防预研局和MBB公司联合进行了可行性研究，1990年3月，美国Rockwell公司、Boeing公司和德国MBB公司共同研制的在发动机尾喷口装有可改变推力方向的3块碳纤维复合材料舵面的试验验证飞机X-31出厂，并进行了试飞，其舵面可相对发动机轴线偏转±10°，在迎角为70°时仍能操作自如，并具有过失速机动能力(1,2)。从1993年11月－1994年年底，在X-31与F-18之间进行了一系列的模拟空战，在X-31飞机不使用推力矢量技术与F/A-18飞机同向并行开始空中格斗的情况下，16次交战中F-18赢了12次；而在X-31使用推力矢量技术时66次交战X-31赢了64次。此外，美国在F-14和F-18上分别安装折流板进行了试验。折流板一般来说，折流板方案是在飞机的机尾罩外侧加装3或4块可作向内、向外径向转动的尾板，靠尾板的转向来改变飞机尾气流的方向，实现推力矢量。这种方案的特点是发动机无需做任何改装，适于在现役飞机上进行试验。其优点是结构简单，成本较低，作为试验研究有一定价值。但有较大的死重和外廓尺寸，推力矢量工作时效率低，对飞机隐身和超音速巡航不利，所以它仅是发展推力矢量技术的一种试验验证方案。控制途径比较方式控制途径方式推力矢量技术实现流场推力矢量控制有多种途径，目前研究的有以下方式：1）喷流推力矢量控制以气流经喷管扩散段的一个或多个喷射孔射入，强迫主气流附靠到喷射孔对侧的壁面上流动，从而产生侧向力；2）反流推力矢量控制在喷管出口截面的外部加一个外套，形成反向流动的反流腔道，在需要主流偏转时，启动抽吸系统形成负压，使主气流偏转产生侧向力；3）机械/流体组合式推力矢量控制在距喉道一段距离处，装有一个或多个长度相当于喉道直径15%-35%的可转动的小型气动调节片，由伺服机构控制转动，并可在非矢量状态时缩进管壁，通过调节片的扰流使气流偏转，产生侧向力比较这几种推力矢量装置中，折流板方案只在X-31、F-14、F-18等飞机上做了试验验证，说明推力矢量控制飞机是有效用的，没有被后来发展的推力矢量技术方案所采用。二元矢量喷管研究最早，技术也最为成熟，已经为F-22等飞机所采用。轴对称推力矢量喷管的研究稍晚于二元矢量喷管，但发展较快，己被SU-35、SU-37所采用。比较而言，轴对称矢量喷管比二元矢量喷管功能更为优越，技术难度更大，所以现在各国的研究发展重点已经转移到了轴对称矢量喷管上。流场推力矢量喷管则因为研究较晚，仍在研究探索阶段，离实用尚有一段距离，但将是最有前途推力矢量喷管。

战术效果战术效果战斗机应用了推力矢量技术后，战术效果有很大的提高，根据美国、俄罗斯的应用经验及飞行验证，的确如此。战斗机战术效果的提高可从几方面来说明：1)起飞着陆机动性、安全性加大起飞着陆机动性、安全性加大。由于在起飞着陆过程中，都能使用推力转向来增加升力，从而使滑跑距离大大缩短，若用推力反向，那么效果更为明显，因此对机场要求降低，使飞机的使用更为机动。对气候的要求也可放松，不怕不对称结冰、突风、小风暴对飞机的扰动，也减轻了起落架毁坏带来的影响，战斗力相对提高。2)加强了突防能力、灵活性、生存率和攻击的突然性这是因为减少了雷达反射面积和增加了机动性。这种突然性很为宝贵，美国空军航空系统分部司令约翰M.洛赫将军说过，在过去被击落的飞行员中有80%未见到是谁向他们开火的。生存率的提高增加了飞行员的信心，还可相应减少战斗机的配备，美国空军计划将空军战斗机缩减35%。3)航程有所加大，增加了攻击或防卫的范围使用了推力矢量技术后由于舵面积的减少可使阻力减小，燃油消耗减小，相应航程加大，另外，尾部重量的减少可导至飞机总重的较大减小，相应可增加燃油，又可加大航程。关键技术关键技术应用推力矢量技术所涉及的技术是很多的，主要有尾喷流转向装置，尾喷流转向控制及其与发动机、飞机飞行控制系统的配合，尾喷流转向对飞机总体性能影响的预测及飞行演示等。发动机尾喷流转向装置要求结构牢固、紧凑、耐用、密封性好、重量轻、转向效益高、转向快、阻力小。尾喷流转向控制范围一般在20°内，但要求快速准确，而且要与发动机的控制系统和飞机飞行控制系统协调，因此不仅控制硬件众多，控制软件也非常复杂。国外也认为这是应用推力矢量技术的关键技术。控制律的研究与水平的提高还取决于所使用的气动力数据和发动机动力模型等的准确度。推力矢量技术90年代以来，洛克希德·马丁公司、莱特实验室、通用电器公司、空军飞行试验中心联合，已完成了VISTA/F-16飞机多轴推力矢量（MATV）控制律的设计和评价。控制律在使飞行员能在飞机完全可控状态下进行机动方面起了关键作用。MATV控制系统包括几种运行模式/状态。设计MATV控制率的关键问题包括最优纵、横向指令结构的设计、精确可靠的迎角和侧滑角计算器的研制和控制系统对空气动力不确定度