推力矢量技术的研究、应用及作用

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Research, Application and Role of Vectored-Thrust

推力矢量技术近年来已由研究试验阶段发展到了实用阶段,在发达国家下一代战斗机上几乎全部都采用了这项技术,第三代战斗机的某些改型上也有加装推力矢量系统的。现在的推力矢量技术已从第一代发展到了第二代,其对飞机的总体性能和结构设计已产生了重要影响

总的来说,战斗机应用推 力矢量技术是美国、俄罗斯战略、战术发展的需要。而相关技术的发展使其应用成为可能。

推力矢量技术是指发动机推力通过喷管或尾喷流的偏转产生的推力分量来替代原飞机的操纵面或增强飞机的操纵功能,对飞机的飞行进行实时控制的技术。对它的应用,还得依靠计算机、电子技术、自动控制技术、发动机制造技术、材料和工艺等技术的一体化发展。

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。代替垂尾起偏航操纵的一些操纵面研究,对于使用推力矢量技术的无尾飞机的研究来说,也是一项艰巨的任务。其中包括复杂的控制软件的研究。

目前的一些研究与应用

国外对推力矢量技术的研究主要反映在推力转向的方法研究上,如叶片式转向、尾喷管转向、逆流推力转向及吸气推力转向的研究等;推力转向控制及其与飞机、发动机控制一体化研究;推力矢量技术对飞机总体性能的影响研究;推力转向与隐身一体化研究;应用推力转向对提高战术效能的影响等。在研究所使用的方法中,数值计算在机理探讨中起了作用,但不能涉及分离流,因此试验占有很重要的位置,特别是早期的风洞试验,后期的遥控模型自由飞试验和飞行演示试验。

国外对推力矢量技术的应用研究已进入实用化阶段,不仅新设计的飞机都要使用推力矢量技术,如F-22,而且还正在考虑用于老机种的改造,如已进行了F/A-18HARV、F-16MATV、F-15S/NTD/F-15ACTIVB、米格-29的装推力矢量系统的飞行试验,使用推力矢量技术的X-31飞机飞行试验的成功,更使人们受到了启发。X-31飞机的布局非常一般,但使用了推力矢量技术后,机动性、敏捷性的都有很大的提高,创立了4个过失速机动里程碑:在70°迎角下飞行53秒;在 70°迎角下作360°的绕速度矢量快速旋转;从高速快速动态进入深度失速状态(70°迎角且低速);首次完成Herabst机动。

如果在提高机动性和敏捷性同时又需要隐身的话,那么老机种除了用去掉垂尾降低雷达反射信号外,其他隐身潜力就很难挖掘了。而新机设计一开始就可考虑推力转向与隐身的一体化,能全面的考虑降低雷达反射信号、尾喷口的喷流遮蔽等,因此有人不大主张改老飞机。

第二代推力矢量技术

第一代转向喷管是为探索推力矢量技术的应用而设计的,因此当它与生产型飞机结合后,其潜力受到限制。第二代多平面推力转向喷管,象普惠公司的球形收敛折叶喷管(SCFN)和俯仰平衡定向喷管(P/Y BBN),它们在重量和效率上有大的改进,超过了现在的二元喷管收敛--发散喷管及叶片喷管。这些第二代喷管方案,阻力和推力效率是主要考虑的问题。

SCFN设计得较轻,重约270千克,比在S/MTD F-15飞机上的二元俯仰转向喷管几乎轻40%,推力转向效益较高,能俯仰和偏航到25°,总推力损失只有1.3%。

P/Y BBN方案性能较好,重量也轻,它使用了一种独特的转向系统,允许扩开段折叶偏转并通过推杆与倾斜同步环的连续进行俯仰和偏航转向。

不用机械装置的空气动力学喷流转向技术目前正在研究中。它利用不对称吸气使尾喷流转向;另一种是逆流推力矢量技术,利用尾喷流边上的一股逆流使气流转向,其实原理与吸气式推力转向方法差不多,只不过具体方法不同。这类推力转向系统重量轻,结构控制都较机械式简单。美国一些大学已研究了各种形状的超音速喷流的逆流转向控制技术,喷流偏转角最大可达20°,转动速率可达每秒180°,逆流的流量不大于喷气流的2%。通过通入冷空气进入二次流(逆流)提供冷却,并且没有活动的部件,这使得这种推力矢量技术很有感染力,只是目前还未见到具体应用。

技术分类及对飞机总体性能的影响

推力矢量系统按其功能来分,可分为纯推力转向和部分推力转向,前者是指完全不用气动操纵面,不过至今也未见到对纯推力转向的应用。后者又可按绕轴的多少来分。苏-35和米格-29改型用了两个轴的推力转向喷管。从使用推力转向的机理来分类,则有通过控制面或尾喷管转向来使发动机尾喷流偏转,从而使推力转向的物理面推力矢量技术,以及通过均匀流场中的不对称性(如利用吸气和逆流)来使尾喷流流动改变方向的空气动力学的推力矢量技术,后一种方法近来是国外研究试验的重点,其好处是结构简单,不增加重量和可视度、成本低,对飞机总体性能影响小。

在使用物理面(机械操纵面)达到推力转向的技术中,还能分成许多种类,有"外部"和"内部"推力矢量系统之分,"外部"是指在发动机的尾喷管后装些折板,用它们来偏转发动机尾喷流,用这种方法的有X-31A、F/A-18HARV。采用折板的好处是维护方便,而且可作减速装置使用(向外偏大些),缺点是减少了推力,因为折板偏转时排气流不是连续偏转,而是突然偏转的,推力损失最大可达30%。"内部"转向是指尾喷管偏转或者喷管壁面形状可以改变,使喷流转向,从而使推力转向,如F-16 MATV飞机,它使用了"内部"的推力转向系统,是轴对称式,它的喷管装了一个万向接头,能进行俯仰和偏航操纵,喷口偏转速率60°/秒,最大偏转角为 17°。YF-22试验飞机能用普惠的YF119-PW-100或通用电器公司的YF-120-GE-100先进战术战斗机的原型发动机,这两种发动机都能装上二元推力转向喷管,是属于"内部"型的推力转向设计,尾喷管设计成只能提供俯仰偏转,排气流由上下收敛喷管的折板偏转,上下折板可以各自独立定位。

使用推力矢量系统对飞机总体性能的影响是很大的。从YF-22飞机试验中可证实,这种推力转向提供了大约2倍的只用气动操纵面产生的有效迎角,迎角大于 70°以后,也显示出飞机有安定的俯仰力矩斜率,完全能够完成"眼镜蛇"机动。迎角60°时,飞机峰值俯仰速度为18°/秒,在低速大迎角飞行状态下,几乎比F-16的俯仰速率高5倍,而且飞机显示了大迎角下可靠的操纵品质,迎角60°以前飞机俯仰姿态精度都能保持在0.5°以内。利用推力转向后,由于控制俯仰发散能力增加,允许滚转操纵面偏转到最大位置,因而与无推力转向情况相比,滚转速度有很大的增加,当迎角接近30°时,大约有每秒90°的滚转速率。在迎角大于40°后,滚转速率也达到每秒20°~30°。用了推力矢量系统后也改善了飞机的超音速转弯性能。驾驶员认为YF-22在M1.5时的转弯性能与F-16在M0.8时一样干脆和响应快,这是因为使用推力转向减少了配平所需的水平尾翼的俯仰偏转,于是减少了超音速配平阻力和/或能使更多的差动尾翼偏转用于滚动。总之使用推力矢量技术后对总体性能带来的好处很多,除改善了过失速机动特性、增加了敏捷性,减少了可视度、重量和阻力,提高了航程和安全性外,还可用于飞机的短距起降。

一个有转向喷管的发动机和一个从后缘喷出展向吹气的鸭式布局飞机的风洞研究表明,它的升力系数可以达到2.18,其中20%由推力矢量产生。若有2.0的进场升力系数,有效的地面滑跑距离可减小到150米。在F-15S/MTD和F-15B改型飞机的喷口上装上二元推力转向的飞行试验表明,与无推力转向飞机相比,直接推力转向减少了38%的起飞滑跑距离和60%的着陆滑跑距离。

矢量技术还可以减少飞机起飞着陆时的滚转;改善双发动机飞机低速熄火时的恢复特性;增强双发动机高速熄火的时的恢复能力;减轻因结冰不对称性或控制面失效带来的影响;能克服由风切变、微小爆炸等引起的飞机的不稳定性和失控;减轻当起落架失灵时对飞机造成的伤害;能使飞机避免失速/尾旋的产生或更易改出。

应用推力矢量技术后的一些战术效果

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。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,则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。

4) 近距格斗战斗力提高,开辟了全新的空中格斗战术。主要是可控迎角扩大很多,大大超过了失速迎角,机头指向能力加强,提高了武器的使用机会。而且操纵力的增加使敏捷性增加。大的俯仰速率能够使飞机快速控制大迎角,使机头能精确停在能截获目标的位置,同时尽可能按照所希望停留时间,维持和实时调整这个迎角以便机头指向目标、锁定和开火,随后快速推杆,使飞机回复到较小的迎角(还原和复位)。常规飞机通常限制在远低于失速迎角的条件下飞行,如F-104飞机仅用了失速迎角的50%,现代战斗机大约用了失速迎角的80%,而用推力转向的X-31A飞机能达到失速迎角的2倍。此外绕俯仰轴的推力转向还能大大增加升力系数,则在支撑同样飞机重量下可使飞机速度及角点速度降低,飞行角点速度低,有利于飞机改变方向,转弯半径可大大减小,转弯速率却能加大。在两机迎面相遇状态,转弯半径小、转弯速率大的飞机就能提前瞄准对方开火,从而赢得格斗的胜利。X-31飞机转弯半径大约为143米,有效转弯速率大约每秒80.6°,因此在与F-18、F-16等飞机格斗中,明显占优势。苏-37能快速安全下俯,水平加速,还能节省发动机功率30%。它的"钟形"和"眼镜蛇"机动可射中近距的F-22和F-117。

5) 提高了空对地的攻击性能,命中率有所提高,投弹后规避动作也更敏捷。

所涉及的关键技术

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。

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VIS TA/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的稳定性的验证。另外,数字式增稳控制型飞行试验控制律更新的设计和试验对于改进MATV大迎角横向飞行品质是有帮助的。

国外已开展使用推力转向和/或有众多操纵面的无尾飞机或半无尾飞机的控制研究和风洞试验。

关于使用推力转向后对飞机总体性能影响的预测和飞行演示在前两项关键技术完成的基础上主要是涉及经费问题。预测工作主要在大风洞进行,试验变量为迎角、侧滑角,风速(M数)及落压比,同时需要流场显示,以利试验结果分析,试验时特别要注意测量与非测量部分交接处的密封,但又不得传力。

飞行演示是个综合性技术验证,使用推力转向的飞机由于控制系统复杂,更是不可少,但飞行演示前,也可先用模拟器进行演示,或利用"虚拟飞行试验系统"进行评估。


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