【簡介：】??推力矢量技術(shù)目錄
概述
技術(shù)分類及對飛機(jī)總體性能的影響
應(yīng)用推力矢量技術(shù)后的一些戰(zhàn)術(shù)效果
所涉及的關(guān)鍵技術(shù)

[編輯本段]概述
　　推力矢量技術(shù)是指發(fā)動機(jī)推力

??推力矢量技術(shù)目錄

概述

技術(shù)分類及對飛機(jī)總體性能的影響

應(yīng)用推力矢量技術(shù)后的一些戰(zhàn)術(shù)效果

所涉及的關(guān)鍵技術(shù)

[編輯本段]概述

　　推力矢量技術(shù)是指發(fā)動機(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)行實時控制的技術(shù)。
??對它的應(yīng)用，還得依靠計算機(jī)、電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、發(fā)動機(jī)制造技術(shù)、材料和工藝等技術(shù)的一體化發(fā)展。

　　利用推力矢量技術(shù)到新設(shè)計和改型的下一世紀(jì)軍用飛機(jī)上，的確是一個有效的技術(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(shù)的確能達(dá)到預(yù)定的目的。
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　　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。
??《簡氏防務(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，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，代價要大些，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，也是一項艱巨的任務(wù)。其中包括復(fù)雜的控制軟件的研究。

[編輯本段]技術(shù)分類及對飛機(jī)總體性能的影響

　　 折流板

　　70年代中期，德國MBB公司的飛機(jī)設(shè)計師沃爾夫崗·赫爾伯斯提出利用控制發(fā)動機(jī)尾噴流的方向來提高飛機(jī)的機(jī)動能力。
??1985年美國國防預(yù)研局和MBB公司聯(lián)合進(jìn)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(fā)動機(jī)尾噴口裝有可改變推力方向的3塊碳纖維復(fù)合材料舵面的試驗驗證飛機(jī)X-31出廠，并進(jìn)行了試飛，其舵面可相對發(fā)動機(jī)軸線偏轉(zhuǎn)±10°，在迎角為70°時仍能操作自如，并具有過失速機(jī)動能力[1,2]。
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　　從1993年11月－1994年年底，在X-31與F-18之間進(jìn)行了一系列的模擬空戰(zhàn)，在X-31飛機(jī)不使用推力矢量技術(shù)與F/A-18飛機(jī)同向并行開始空中格斗的情況下，16次交戰(zhàn)中F-18贏了12次；而在X-31使用推力矢量技術(shù)時66次交戰(zhàn)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(jìn)行了試驗。

　　一般來說，折流板方案是在飛機(jī)的機(jī)尾罩外側(cè)加裝3或4塊可作向內(nèi)、向外徑向轉(zhuǎn)動的尾板，靠尾板的轉(zhuǎn)向來改變飛機(jī)尾氣流的方向，實現(xiàn)推力矢量。這種方案的特點是發(fā)動機(jī)無需做任何改裝，適于在現(xiàn)役飛機(jī)上進(jìn)行試驗。
??其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)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(jī)隱身和超音速巡航不利，所以它僅是發(fā)展推力矢量技術(shù)的一種試驗驗證方案。

　　 二元矢量噴管

　　二元矢量噴管是飛機(jī)的尾噴管能在俯仰和偏航方向偏轉(zhuǎn)，使飛機(jī)能在俯仰和偏航方向上產(chǎn)生垂直于飛機(jī)軸線附加力矩，因而使飛機(jī)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(zhuǎn)動的調(diào)節(jié)板。二元矢量噴管的種類有：二元收斂－擴(kuò)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(diào)節(jié)片噴管（SCFN）等。

　　通過研究證實，二元矢量噴管易于實現(xiàn)推力矢量化。
??在80年代末，美國兩架預(yù)研戰(zhàn)斗機(jī)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(jié)構(gòu)比較笨重，內(nèi)流特性較差。

　　軸對稱矢量噴管

　　推力矢量技術(shù)的研究最初集中在二元矢量噴管，但隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)二元噴管優(yōu)點雖多但缺點也很明顯，尤其是移植到現(xiàn)役飛機(jī)上相當(dāng)困難。
??因此又發(fā)展了軸對稱推力矢量噴管。GE公司在20世紀(jì)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(zhuǎn)向調(diào)節(jié)作動筒、4個A8/喉道面積調(diào)節(jié)作動筒、3個調(diào)節(jié)環(huán)支承機(jī)構(gòu)、噴管控制閥以及一組耐熱密封片等構(gòu)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(jī)械作動式推力矢量噴管，其主要特點在于通過在噴管擴(kuò)散段引入側(cè)向次氣流（Secondary Fluid）去影響主氣流的狀態(tài)，以達(dá)到改變和控制主氣流的面積和方向，進(jìn)而獲取推力矢量的目的。
??它的最主要優(yōu)點是省卻了大量的實施推力矢量用的機(jī)械運動件，簡化了結(jié)構(gòu)，減輕了飛機(jī)重量，降低了維護(hù)成本。

　　實現(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)散段的一個或多個噴射孔射入，強(qiáng)迫主氣流附靠到噴射孔對側(cè)的壁面上流動，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外套，形成反向流動的反流腔道，在需要主流偏轉(zhuǎn)時，啟動抽吸系統(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，裝有一個或多個長度相當(dāng)于喉道直徑15％-35％的可轉(zhuǎn)動的小型氣動調(diào)節(jié)片，由伺服機(jī)構(gòu)控制轉(zhuǎn)動，并可在非矢量狀態(tài)時縮進(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)上做了試驗驗證，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。

[編輯本段]應(yīng)用推力矢量技術(shù)后的一些戰(zhàn)術(shù)效果

　　戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)用了推力矢量技術(shù)后，戰(zhàn)術(shù)效果有很大的提高，根據(jù)美國、俄羅斯的應(yīng)用經(jīng)驗及飛行驗證，的確如此。
??戰(zhàn)斗機(jī)戰(zhàn)術(shù)效果的提高可從幾方面來說明：

　　1) 起飛著陸機(jī)動性、安全性加大。由于在起飛著陸過程中，都能使用推力轉(zhuǎn)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(jī)場要求降低，使飛機(jī)的使用更為機(jī)動。對氣候的要求也可放松，不怕不對稱結(jié)冰、突風(fēng)、小風(fēng)暴對飛機(jī)的擾動，也減輕了起落架毀壞帶來的影響，戰(zhàn)斗力相對提高。
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　　2) 加強(qiáng)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(dá)反射面積和增加了機(jī)動性。這種突然性很為寶貴，美國空軍航空系統(tǒng)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(yīng)減少戰(zhàn)斗機(jī)的配備，美國空軍計劃將空軍戰(zhàn)斗機(jī)縮減35%。
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　　3) 航程有所加大，則增加了攻擊或防衛(wèi)的范圍。使用了推力矢量技術(shù)后由于舵面積的減少可使阻力減小，燃油消耗減小，相應(yīng)航程加大，另外，尾部重量的減少可導(dǎo)至飛機(jī)總重的較大減小，相應(yīng)可增加燃油，又可加大航程。

　　4) 近距格斗戰(zhàn)斗力提高，開辟了全新的空中格斗戰(zhàn)術(shù)。
??主要是可控迎角擴(kuò)大很多，大大超過了失速迎角，機(jī)頭指向能力加強(qiáng)，提高了武器的使用機(jī)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(jī)快速控制大迎角，使機(jī)頭能精確停在能截獲目標(biāo)的位置，同時盡可能按照所希望停留時間，維持和實時調(diào)整這個迎角以便機(jī)頭指向目標(biāo)、鎖定和開火，隨后快速推桿，使飛機(jī)回復(fù)到較小的迎角（還原和復(fù)位）。
??常規(guī)飛機(jī)通常限制在遠(yuǎn)低于失速迎角的條件下飛行，如F-104飛機(jī)僅用了失速迎角的50%，現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)大約用了失速迎角的80%，而用推力轉(zhuǎn)向的X-31A飛機(jī)能達(dá)到失速迎角的2倍。此外繞俯仰軸的推力轉(zhuǎn)向還能大大增加升力系數(shù)，則在支撐同樣飛機(jī)重量下可使飛機(jī)速度及角點速度降低，飛行角點速度低，有利于飛機(jī)改變方向，轉(zhuǎn)彎半徑可大大減小，轉(zhuǎn)彎速率卻能加大。
??在兩機(jī)迎面相遇狀態(tài)，轉(zhuǎn)彎半徑小、轉(zhuǎn)彎速率大的飛機(jī)就能提前瞄準(zhǔn)對方開火，從而贏得格斗的勝利。X-31飛機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑大約為143米，有效轉(zhuǎn)彎速率大約每秒80。6°，因此在與F-18、F-16等飛機(jī)格斗中，明顯占優(yōu)勢。蘇-37能快速安全下俯，水平加速，還能節(jié)省發(fā)動機(jī)功率30%。
??它的鐘形和眼鏡蛇機(jī)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(guī)避動作也更敏捷。

　　簡而言之，推力矢量技術(shù)就是通過偏轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)噴流的方向,從而獲得額外操縱力矩的技術(shù)。

[編輯本段]所涉及的關(guān)鍵技術(shù)

　　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。
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　　發(fā)動機(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)。控制律的研究與水平的提高還取決于所使用的氣動力數(shù)據(jù)和發(fā)動機(jī)動力模型等的準(zhǔn)確度。

　　90年代以來，洛克希德?馬丁公司、萊特實驗室、通用電器公司、空軍飛行試驗中心聯(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)計和評價。
??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)動方面起了關(guān)鍵作用。MATV控制系統(tǒng)包括幾種運行模式/狀態(tài)。設(shè)計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、精確可靠的迎角和側(cè)滑角計算器的研制和控制系統(tǒng)對空氣動力不確定度的穩(wěn)定性的驗證。
??另外，數(shù)字式增穩(wěn)控制型飛行試驗控制律更新的設(shè)計和試驗對于改進(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。

　　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關(guān)鍵技術(shù)完成的基礎(chǔ)上主要是涉及經(jīng)費問題。
??預(yù)測工作主要在大風(fēng)洞進(jìn)行，試驗變量為迎角、側(cè)滑角，風(fēng)速（M數(shù)）及落壓比，同時需要流場顯示，以利試驗結(jié)果分析，試驗時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。

　　飛行演示是個綜合性技術(shù)驗證，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系統(tǒng)進(jìn)行評估。
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　　我們知道，作用在飛機(jī)上的推力是一個有大小、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，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)動機(jī)產(chǎn)生的推力，獲得多余的控制力矩，實現(xiàn)飛機(jī)的姿態(tài)控制。其突出特點是控制力矩與發(fā)動機(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)動飛行而操縱舵面幾近失效時利用推力矢量提供的額外操縱力矩來控制飛機(jī)機(jī)動。
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　　第四代戰(zhàn)斗機(jī)要求飛機(jī)要具有過失速機(jī)動能力，即大迎角下的機(jī)動能力。推力矢量技術(shù)恰恰能提供這一能力，是實現(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。這個時候，縱然發(fā)動機(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，通過實驗還發(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。
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　　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)動性大大提高，而且還具有前所未有的短距起落能力，這是因為使用推力矢量技術(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現(xiàn)推力反向，飛機(jī)在降落之后的制動力也大幅提高，因此著陸滑跑距離更加縮短了。

　　如果發(fā)動機(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)的運用提高了飛機(jī)的控制效率，使飛機(jī)的氣動控制面，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-37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)我國的國防實力。

參考資料：

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