美俄推力矢量技术差异谈.docx

美俄推力矢量技术差异谈原载于兵工科技2007年第2期李振宇文 目前，全世界仅有美国和俄罗斯两国掌握了最先进的推力矢量技术并将其应用于各自的主力战斗机上，虽同为推力矢量技术，但两国在应用方面却有诸多的不同，进而导致其使用效果也差异很大。 应用上的不同 俄罗斯 俄罗斯在推力矢量发动机开发领域具有十分强大的实力，其在苏-27和米格-29的改进型号上大量使用推力矢量发动机，我们可以用一个简单的加法来表示俄罗斯推力矢量技术的应用方法：常规气动布局+推力矢量发动机。 美国 美国并没有像俄罗斯那样将推力矢量发动机直接装在第三代战斗机上来使用，其具备推力矢量技术的战斗机F-22和F-35，都是最新开发的第四代战斗机。以F-22为例说明，其是目前服役的先进战斗机中惟一一种在设计阶段就将推力矢量技术与气动控制技术进行综合设计的机型，这个技术特点使F22在飞行性能方面达到了一个前所未有的高度。因此，我们不能简单将美国推力矢量技术归类为常规气动布局+推力矢量发动机，而应将其称为气动控制与推力矢量融合技术，它将两者有机地结合到厂一起，合二为一。 使用效果上的不同及原因 俄罗斯 俄罗斯在其第三代战斗机上使用推力矢量发动机后，确实可以明显提高战斗机的机动性能，甚至可以完成很多没有加装推力矢量发动机的常规战斗机所无法完成的高机动飞行动作，其中很多机动动作还具有改变现有空战战术的潜力，但是俄罗斯加装推力矢量技术的现役作战飞机的实战效果却并不明显。出现这样问题的原因主要是因为俄罗斯目前使用的第三代战斗机都是在上世纪七十年代开始发展的，那个时候推力矢量技术还处于进行技术验证的初级阶段，因此俄罗斯在开发第三代高机动性战斗机时，是完全依靠气动控制方式来满足飞机对机动性能的要求，几乎就没有考虑过未来推力矢量发动机在其机身上的应用可能，这就造成了许多不便，实战效果不佳。 俄罗斯战斗机的发动机在加装推力矢量系统之后需要增加一定的结构重量，在飞机本身的重心位置已经基本确定的情况下，改装推力矢量发动机所增加的重量对飞机的重量分配会造成较大的影响。无论是通过调整飞机结构重量分配还是在机身上增加配重，对于现役飞机的改装都是一个比较麻烦的工作。俄罗斯现役战斗机的气动布局已经确定，这些传统的气动布局与推力矢量控制之间存在有一定的矛盾，满足气动控制需要的气动设计有的时候反倒会影响到推力矢量的效率。根据带有推力矢量的苏 30MK在飞行表演中所进行的过失速机动动作来看，苏-30MK进入机动的速度和姿态限制都比美国F-22要大，而且在动作转换过程中还存在姿态调整的问题，有时候还需要依靠推力矢量喷管的偏转来抵消翼面产生的部分消极干扰，在机动动作控制的精确性和响应速度上与F-22存在比较大的差距。 加装了推力矢量发动机后的苏3730MK在机动性和敏捷性上确实有明显的提高，尤其是提高了飞机的过失速机动能力，这也是俄罗斯战斗机加装推力矢量发动机的主要好处，但它的实战程度并不高，原因何在?第三代战斗机的机载导弹武器都采用外挂的形式，而外挂物的气动干扰会对过失速机动稳定性造成影响，目前俄罗斯采用推力矢量技术的几种机型在做过失速机动动作时都无法携带标准的外挂载荷，而战斗机又不可能只携带符合过失速机动飞行要求的外挂，更何况世界上到目前为止，战斗机所采用的机载导弹武器都不能在过失速条件下有效使用。美国空军对第三代战斗机过失速机动作战的模拟结果表明，能够在过失速机动过程中有效使用的机载武器只有航炮，因此当还没有一种空空导弹能够在过失速机动过程中使用的条件下，第三代战斗机的过失速机动动作最大的作用只是占位而不是攻击。 俄罗斯现役战斗机在现代战争中的战术使用方法同样限制了推力矢量技术的应用，目前俄罗斯战斗机的战术发展方向是依靠先进的雷达和机载导弹进行超视距空战，而现役格斗导弹的机动性也明显超过了战斗机的机动性，因此改进格斗导弹的机动性所获得的战斗力捉高幅度要远远地超过飞机机动性提高后的效果，依靠推力矢量发动机所获得的高机动性和过失速机动能力在这种中距空战中的意义不大。 美国 美国也曾在F15、F16和FA18上改装过推力矢量技术验证机，通过试验发现第三代战斗机并不能够很有效地利用推力矢量的效果，更无法达到像F22那样通过推力矢量辅助翼面起到减阻、减重的效果，这主要是因为第三代战斗机是强调机动性能的机型，在设计时都是以气动控制作为飞机获得高机动飞行性能的基础，而推力矢量技术在对飞机的控制上与飞机本身的气动控制存在比较大的差别，简单地为一种采用气动控制作为设计基础的战斗机加装推力矢量发动机的价值非常有限，所能够得到的性能改善也无法真正达到将推力矢量与气动控制完美结合后的效果。F-22在提高飞机机动飞行性能的设计过程中，最大的困难就是如何使一架与F-15规格相当的重型战斗机，在空战中能够具备比F16轻型战斗机更好的机动性和敏捷性。完全依靠气动控制来满足F22对机动性和敏捷性方面的技术要求是非常困难的，虽然F-22在设计上并没有过于强调过失速机动飞行的能力，但是军方要求中的大迎角飞行控制能力仍然不是常规气动控制技术所能够满足的，因此在F-22设计开始阶段，美国就将发动机推力矢量和气动控制一起进行了综合考虑。F-22综合利用了大面积气动控制面和发动机推力矢量系统，具备了很好的大迎角飞行性能和过失速飞行能力，F-22战斗机在20度迎角下的滚转速率可以达到100度秒，并且能够在滚转过程中迅速改变飞机的速度矢量和机头指向。F-22战斗机在60度迎角的高机动飞行中的滚转速率为30度秒，而机头指向移动速率可以达到90度秒的惊人水平。推力矢量融合技术的采用使F-22战斗机在速度非常低的条件下仍然具有可靠的控制能力，即使在飞行速度已经降低到74千米小时的时候也可以在俯仰方向完成有效的控制。F-22在俯仰轴方向实现推力矢量控制技术时不需要付出气动控制面的阻力以及重量的代价，这也是保证F-22能得到足够的俯仰控制力矩的最有效的办法。F-22战斗机通过俯仰轴方向可差动(即发动机两个喷管的方向可不同)的推力矢量控制，明显地降低了飞机运动过程中对常规气动控制面的要求，仅仅水平尾翼就可以减少186平方米的面积和181千克的结构重量，这种推力矢量融合技术在减重和减阻的同时有效地提高了F-22战斗机的结构隐身性能，并且使飞机具备了不受飞机迎角姿态限制的俯仰控制能力。F-22战斗机的二元推力矢量喷管通过独立控制的喷管调节片进行机械偏转，可偏转的调节片同时还具备控制喷口面积的能力，具有20度调节范围的可偏转调节片在飞控计算机传递给发动机电子控制系统的指令下，能够以40度秒的运动速率在全偏转范围内进行任意角度的调节。F-22战斗机每台发动机的推力矢量喷管都从控制系统接收各自独立的控制命令，两台发动机的俯仰控制都可以独立进行调节。F-22战斗机在推力矢量控制启动状态时，俯仰控制是由平尾的作动筒位置信号来调节矢量喷管的偏转角度，飞行员在操纵时不需要对矢量喷口调节进行任何形式的人工干预。F-22战斗机的推力矢量是由飞行计算机根据空速和飞机的迎角自动控制的，发动机的推力矢量控制可以根据情况人工关闭，但在飞机出现翼尖失速或深度失速状态时，飞机上的计算机可自动启动发动机推力矢量系统工作，确保飞机安全。 那么将以下两技术结合后的效果有多出色呢?我们通过F-22的飞行性能就能看得很清楚。F-22在综合应用推力矢量系统后可以获得很高的低速机动性和飞行稳定性，YF-22战斗机原型机在试飞中试验了在迎角60度、空速152千米小时的条件下对飞机进行配平的能力，并且还验证了F-22战斗机在迎角达到70度时仍然可以进行配平和具有稳定的俯仰力矩斜率。F-22战斗机有能力依靠推力矢量技术配平超大迎角的飞行姿态，可以完成与苏-27表演的“眼镜蛇”类似的大迎角机动动作，F22在机动中超越苏-27“眼镜蛇”飞行动作的地方是F-22战斗机在进行类似“眼镜蛇”机动的整个过程中可以随时保持、改出(即在作一个动作的过程中可随时停止并执行其他动作)动作并进行姿态调整。即使在发动机处于慢车状态下也可以获得15度秒的下俯速率，并且飞机在整个改出过程中完全处于可控状态。F-22在60度以下的大迎角飞行姿态时处于完全可控状态，俯仰姿态和迎角控制可以精确到05度，大迎角姿态下的侧滑角和滚转控制都非常稳定，不会在大迎角飞行中产生明显的机冀下沉或摆动状态。F-22的大迎角滚转状态是由飞行控制系统根据迎角数值的变化自动调整的，F-22在迎角20度到40度之间进行滚转时的航向姿态比较稳定，当迎角超过40度后进行倾斜滚转将会形成极其有利于调整机头指向的航向变化。使用推力矢量的F-22战斗机在20度迎角时的滚转速率比空气动力控制提高了一倍，即使在迎角超过40度时还可以提供2030度秒的稳定转弯角速度，而这些飞行性能的获得在没有推力矢量技术的时候是完全不可想象的。融合后的推力矢量系统还可以明显改善F-22战斗机的超音速机动性能，F-22在飞行速度15马赫时的转弯性能和响应速度与F16的飞行速度在08马赫时基本相当，而且F-22战斗机在飞行高度11500米，空速12马赫条件下具有很强的稳定盘旋能力和单位剩余功率，可以进行第三代战斗机完全无法完成的超音速持续转弯和俯仰机动。F-22是世界上第一种真正将气动控制与推力矢量有机结合到一起的作战飞机，由此也使F22战斗机在获得了前所未有的高机动性的同时也具有高安全性和高可靠性，F22在机动飞行时与目前第三代战斗机由飞行控制系统通过限制飞机的飞行姿态来控制飞行边界不同，气动控制与推力矢量的结合使F-22机动边界只受到飞机员承受极限的限制，确保F-22能够在发挥全部飞行性能的同时进行真正意义上的无顾虑操纵。 F-22的飞行表演虽然在机动动作上可能没有苏-3730MK那样花样繁多，但是任何一个合格的F-22战斗机驾驶员都可以完成“眼镜蛇”这样的高级机动动作，而且在进行类似的大迎角过失速机动动作的过程中还可以做到全程可控，可以说F-22在过失速机动飞行中的动作要比苏-3730MK的类似动作有更强的实用性。F-22采用推力矢量是因为考虑到与同样具备低信号特征的战斗机发生格斗空战的需要，而设计时就将推力矢量与气动控制综合考虑的F-22，在完成机动动作时的