推力矢量技术范文.doc

推力矢量技术范文 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F117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F22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F117直接研制出了现代的超声速攻击机成了F22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 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X31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) 发展 从1993年11月1994年年底在X31与F18之间进行了一系列的模拟空战在X31飞机不使用推力矢量技术与F/A18飞机同向并行开始空中格斗的情况下16次交战中F18赢了12次；而在X31使用推力矢量技术时66次交战X31赢了64次3此外美国在F14和F18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YF22/F119和YF23/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（SecondaryFluid）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 方式 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 比较 这几种推力矢量装置中折流板方案只在X31、F14、F18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F22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SU35、SU37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 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F104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X31A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X31飞机