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航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量技術(shù)探索

來源：原創(chuàng)

作者：尹志文

發(fā)布時(shí)間：2019-12-11

瀏覽次數(shù)：3385

作者：尹志文 ?施楚鈺 ?李漢東

0引言

? 在物理上，矢量是指既有大小又有方向的量，而對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)來說，能通過改變尾噴流的方向，來為飛機(jī)提供俯仰力矩、偏航力矩、橫滾力矩和反推力的發(fā)動(dòng)機(jī)，即為推力矢量航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.推力矢量的類型
1.1按矢量推力產(chǎn)生方式分
? （1）外推力矢量：依靠安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管后或尾部結(jié)構(gòu)上的燃?xì)舛妫ㄓ址Q折流板）的偏轉(zhuǎn)來改變噴氣流方向（圖1）。

圖1? 燃?xì)舛媸疽鈭D

? （2）內(nèi)推力矢量：通過發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管自身結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)尾噴管方向的改變，又稱為推力矢量噴管（圖2）。

圖2? 推力矢量噴管

??? 此外，由引入二次射流來改變尾噴流方向的技術(shù)也稱為內(nèi)推力矢量。
1.2按矢量推力噴管構(gòu)造形式分

? （1）軸對(duì)稱推力矢量噴管：通過后尾噴管的轉(zhuǎn)動(dòng)和收擴(kuò)來改變噴流方向,其轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)常見有球鉸機(jī)構(gòu)、萬向節(jié)機(jī)構(gòu)和多連桿機(jī)構(gòu)（圖3）。

圖3? 軸對(duì)稱推力矢量噴管

? （2）二元推力矢量噴管：其尾噴口呈矩形，通過后尾噴管上下不對(duì)稱地收斂、擴(kuò)散、轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)噴流方向的改變，包括固定式二元噴管和二元機(jī)械式收擴(kuò)噴管（圖4為其五種工作狀態(tài)）。

圖4? 二元收擴(kuò)推力矢量噴管的五種工作狀態(tài)

? （3）有反流推力的矢量噴管：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。

? （4）其他新型推力矢量噴管：多平面推力轉(zhuǎn)向噴管、球形收斂折葉噴管等。
1.3按推力矢量取代操縱面控制程度分

? （1）部分推力矢量控制：采用推力矢量同時(shí)，仍然使用方向舵、升降舵、副翼和襟翼,飛行器的操縱性、機(jī)動(dòng)性仍然受舵面控制的外部流動(dòng)情況的影響。
? （2）全部推力矢量控制：飛行器的控制力全由推力矢量提供，可以取消所有的氣動(dòng)舵面甚至垂尾，飛機(jī)的操縱力矩全部由推力矢量航空發(fā)動(dòng)機(jī)提供。全推力矢量控制飛行器的控制適應(yīng)范圍廣，包括原氣動(dòng)舵面操縱困難的大迎角、大側(cè)滑角、超低速度、高空等，并且易于實(shí)現(xiàn)過失速機(jī)動(dòng)和快速機(jī)頭轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)。

2.推力矢量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
2.1提高機(jī)動(dòng)性和敏捷性

? 由于改變推力矢量航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴流的方向，能夠直接為飛機(jī)提供俯仰、偏航和橫滾力矩以及反向推力，可以減少或取消舵面操縱，從而可以提高飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性。同時(shí)，推力矢量技術(shù)可大大改進(jìn)飛機(jī)的爬升率、橫滾性能和盤旋性能，并且提高了飛機(jī)在空中瞬時(shí)改變姿態(tài)的能力和敏捷性，開辟了全新的空中格斗戰(zhàn)術(shù)。
2.2縮短起飛著陸滑跑距離
? 因推力矢量航空發(fā)動(dòng)機(jī)可直接提供升力分量和反推力，使飛機(jī)在很低速度下就可起飛和著陸，故而大大縮短起飛著陸滑跑距離。此外，推力矢量技術(shù)還可以減少飛機(jī)起飛著陸時(shí)可能產(chǎn)生的滾轉(zhuǎn)。

2.3提高隱身能力和突防能力

? 所謂飛機(jī)隱身能力，就是指降低雷達(dá)、紅外線、聲、光和磁信號(hào)特征的反探測(cè)能力。因推力矢量航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用可以減小舵面甚至取消垂尾，從而大大減小了散射的面積，提高了作戰(zhàn)時(shí)對(duì)戰(zhàn)區(qū)的突防能力、對(duì)地攻擊能力和迅速回程躲避能力。
2.4為設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔的飛行器提供條件
? 由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量技術(shù)的運(yùn)用有可能使飛機(jī)發(fā)展為消除全部舵面和垂尾，成為“無尾”飛機(jī)，從而大大減少了操縱舵面復(fù)雜的機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)，為設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔的飛行器創(chuàng)造了條件。

3.發(fā)展建議
3.1增重控制

? 推力矢量噴管位于機(jī)尾，這樣其增重不僅使負(fù)荷增加，而且不利于機(jī)身的配平。普惠公司把F100和F110發(fā)動(dòng)機(jī)噴管裝成推力矢量噴管后，重量分別增加90kg和70kg，相對(duì)增重35%-45%。推力矢量噴管的增重會(huì)影響到飛機(jī)的性能與飛行品質(zhì)，如F-22飛機(jī)的二元推力矢量噴管，本來設(shè)計(jì)的是具有反向推力功能，但由于增重過多等原因而取消了其反向推力功能。因此，發(fā)展新型輕質(zhì)高強(qiáng)度耐高溫結(jié)構(gòu)材料，用于噴管制造以減輕推力矢量噴管重量，或者研究出結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單的推力矢量噴管，己成為推力矢量技術(shù)發(fā)展過程中需亟待解決的關(guān)鍵問題之一。
3.2噴管密封

? 推力矢量噴管是推力矢量航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，而推力矢量航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)工作中最困準(zhǔn)的是加力燃燒室與推力矢量噴管連接處的密封問題。帶有推力矢量噴管的航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室與推力矢量噴管之間的密封聯(lián)接是極其復(fù)雜的，這些位置不但位于發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓、高溫區(qū)，而且要求在推力矢量噴管轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)要保持密封和結(jié)構(gòu)完整, 否則會(huì)出現(xiàn)漏氣，并引起發(fā)動(dòng)機(jī)著火，對(duì)飛機(jī)和飛行員造成不可挽回的后果。因此, 在航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量技術(shù)的研究過程中,推力矢量噴管偏轉(zhuǎn)漏氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力產(chǎn)生的影響無疑是一項(xiàng)非常重要改進(jìn)內(nèi)容。

3.3可靠性

? 我國(guó)國(guó)軍標(biāo)GJB451A-2005把可靠性定義為“產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力”。推力矢量航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)量多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用于實(shí)施推力矢量的運(yùn)動(dòng)件如調(diào)節(jié)片、密封片、作動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等可達(dá)一千多件，這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)可靠性非常重要。可靠性是推力矢量航空發(fā)動(dòng)機(jī)正常發(fā)揮其作戰(zhàn)性能的基礎(chǔ)，可靠性高的推力矢量航空發(fā)動(dòng)機(jī)，在作戰(zhàn)使用過程中不易發(fā)生故障，可以減少人力、物力、財(cái)力等維修資源的消耗。
4.結(jié)語
? 在航空、航天、航海領(lǐng)域，“飛天巡洋，動(dòng)力先行”也已經(jīng)成為客觀規(guī)律，想要發(fā)展先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)，首先要解決的便是動(dòng)力裝置問題。目前，只有美俄等少數(shù)國(guó)家可以自行研制推力矢量航空發(fā)動(dòng)機(jī)，我們要抓住這個(gè)機(jī)遇，期望在不遠(yuǎn)的將來，國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)也能夠在這一技術(shù)上趕超美俄，提升我國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)能力，增強(qiáng)我國(guó)的國(guó)防軍事實(shí)力。

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作者簡(jiǎn)介：
（1）尹志文：深圳市博爾創(chuàng)意文化發(fā)展有限公司，產(chǎn)品工程師
（2）施楚鈺：深圳市藝博堂環(huán)境藝術(shù)工程設(shè)計(jì)有限公司，會(huì)展經(jīng)理
（3）李漢東：深圳市博爾創(chuàng)意文化發(fā)展有限公司，首席專家
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