推力矢量技术的应用及影响
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摘 要:本文论述了航空发动机的推力矢量的关键技术、类型,并分析了推力矢量技术的应用及对飞机性能的影响。
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。
1推力矢量的关键技术
1.1 推进技术
高效、轻重量、低成本矢量喷管的研制无疑是飞机推力矢量技术的核心和最大技术难点,关键技术有:(1)矢量喷管的方案和内流特性;(2)矢量喷管结构设计、冷却和封严、运动机构和控制系统;(3)矢量喷管与发动机匹配研究,包括推力矢量对进气道和风扇性能的影响和对发动机结构受力的影响;(4)矢量喷管地面整机试验和测试技术;(5)与矢量喷管相关的工艺和材料。
1.2 气动
(1)矢量喷流与飞机绕流相互干扰;(2)矢量喷流引起的超环量气动效应;(3)大迎角进气道流场;(4)反向喷流的干扰效应;(5)矢量喷流气动力实验方法和技术。
1.3 飞行/推进综合控制
(1)推力矢量和气动舵面同时参与操纵时的飞机气动特性匹配和操纵性;(2)新的飞行状态和姿态下的飞行品质评定准则;(3)特大迎角下飞行控制律;(4)矢量喷管偏转的动态特性;(5)可靠性和余度设计;(6)飞控和推进控制的综合设计。
1.4 飞机总体设计
(1)大迎角全机气动特性;(2)矢量喷管与后机体匹配;(3)推力矢量飞机总体布局;(4)推力矢量飞机的全机地面仿真试验和飞行试验技术;(5)推力矢量飞机战术和战效。
2推力矢量喷管的类型
2.1 折流板
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。
2.2 二元矢量喷管
二元矢量喷管是飞机的尾喷管能在俯仰和偏航方向偏转,使飞机能在俯仰和偏航方向上产生垂直机轴线附加力矩,因而使飞机具有推力矢量控制能力。二元矢量喷管通常是矩形的,或者是四块可以配套转动的调节板。二元矢量喷管的种类有:二元收敛－扩散喷管(2DCDN)、纯膨胀斜坡喷管(SERN)、二元楔体式喷管(2DWN)、滑动喉道式喷管(STVN)和球面收敛调节片喷管(SCFN)等。在20世纪80年代末,美国两架预研战斗机YF-22/F119和YF-23/F120均采用了这种矢量喷管。
2.3 轴对称矢量喷管
推力矢量技术的研究最初集中在二元矢量喷管,但随着研究的深入发现二元喷管优点虽多但缺点也很明显,尤其是移植到现役飞机上相当困难。因此又发展了轴对称推力矢量喷管。GE公司在20世纪80年代中期开始轴对称推力矢量喷管的研制,其研制的喷管由3个A9/转向调节作动筒、4个A8/喉道面积调节作动筒、3个调节环支承机构、喷管控制阀以及一组耐热密封片等构成。
轴对称推力矢量喷管是在锥形收扩喷管基础上靠扩大功能而发展起来的。轴对称推力矢量喷管有两种类型:俯仰式轴对称矢量喷管和AVEN轴对称矢量喷管。
AVEN轴对称推力矢量喷管,它是靠机械手段强制扩张段改变形状和位置以使内流发生偏转,可作360°转动。轴对称矢量喷管的主要特点是安全保留了轴对称收扩式喷管的良好控制性能,只是在结构上扩展了扩张段的功能,使之既产生超声速气流,又能按飞机需要偏转气流方向。
2.4 流场推力矢量喷管
流场推力矢量喷管完全不同于前面几种机械作动式推力矢量喷管,其主要特点在于通过在喷管扩散段引入侧向次气流(Secondary Fluid)去影响主气流的状态,以达到改变和控制主气流的面积和方向,进而获取推力矢量的目的。它的最主要优点是省却了大量的实施推力矢量用的机械运动件,简化了结构,减轻了飞机重量,降低了维护成本。
3推力矢量技术应用与影响
3.1 实现大迎角过失速机动,突破失速障碍
利用气动舵面进行操纵的常规飞机在迎角超过20°～30°时已经无法稳态控制。而试验证明,推力矢量飞机能在迎角大于70°时实现可控飞行,从而可以实施一系列有实战意义的过失速机动动作,如赫布斯特机动、榔头机动、大迎角机头快速转向和大迎角侧滑倒转机动等。能做这种机动的飞机在交战时便于占据有利位置。
3.2 改善飞机性能、机动性和敏捷性
由于推力矢量引起的喷气升力和超环量诱导升力,使诱导阻力降低,可以使飞机油耗降低,航程延长。推力矢量使诱导升力系数增大,从而改善飞机盘旋性能。
3.3 缩短起落滑跑距离
F-15 STOL/MTD多次试验证明:其起飞滑跑距离比常规F-15缩短38%,仅为244m;着陆滑跑距离缩短63%,在干跑道上为416m,湿跑道上为855m,而常规F-15在湿跑道上为2285m。
3.4 提高隐身能力
采用二元矢量喷管可减小红外信号特征和雷达横截面。推力矢量参与飞行控制,可减小安定面和舵面面积,可进一步减小雷达横截面。
3.5 提高空战效能
由于推力矢量飞机具有过失速能力并提高了机动性,因而在空战中能随时处于有利位置,提高了空战效能。根据法国航空和航天研究院的一对一近距空战数值模拟结果,仅具有俯仰推力矢量的战斗机对常规战斗机的空战交换比在中空中速为1∶3.55,在低空低速为1∶8.10。具有俯仰/偏航推力矢量能力的X-31与常规F/A-18的一对一空战交换比为1∶9.6-32,而如果X-31无推力矢量能力,则空战交换比为2.4∶1。
3.6 全推力矢量飞机的实现将取消所有气动操纵舵面,导致设计“无尾”飞机
这样,将不仅改善飞机的过失速能力和机动性,提高空战效能,而且还将大大减小飞机尺寸阻力和重量,进一步增强隐身能力,提高飞机性能,降低制造成本和寿命期成本。
4结语
航空发动机推力矢量喷管是现代新型军用喷气飞机的重要组成部分,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。在各个国家应用都十分广泛。随着科技的发展和国家军事实力的不断提高,为了得到更改的军用飞机使用效能,对推力矢量喷管技术研究将不断深入。