航空发动机推力矢量技术揭秘

航空发动机推力矢量技术揭秘

一.概述

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。

二.技术分类及对飞机总体性能的影响

2.1折流板

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[3]。此外，美国在

F-14和F-18上分别安装折流板进行了试验。

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。

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于飞机轴线附加力矩，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。

通过研究证实，二元矢量喷管易于实现推力矢量化。在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。

二元矢量喷管的缺点是结构比较笨重，内流特性较差。

二元推力矢量发动机的典型：

美国惠普F119发动机，这也是F22使用的发动机

F119的喷口是矩形的，

简单点说，是由4个平板围成的，像一个方盒子

但是，左右两个平面是固定的

上下两个平面却是活动的，像门一样分别围绕着一个铰链上下活动，范围是±20°

因此，上下两个活动板配合，上下活动，就可以完成对发动机喷口气流的导向

但是，由于只能上下活动，气流也只能俯仰控制

所以被称为二元喷口，也就是二维喷口

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。

轴对称矢量发动机的典型

俄罗斯AЛ-31Ф(AL-31F)，用于SU-27改进型，SU-35,还有暴风雪(БУРАН)航天飞机等

AL-31F的喷口，截面还是圆的

是收敛－扩张式喷口，各有16个调节片和封严片。收敛喷口靠16个液压作动筒操纵，

扩张喷口则靠16个周向气压作动筒形成的环形“束带”固紧，随着喷口落压比的变化

，靠气动力作动改变喷口的出口截面面积。

整个喷口可以在液压系统的作用下摆动，俯仰、左右都可以

所以被称为轴对称，相对于发动机中轴

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。

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

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。