聊聊流體推力矢量技術

吳英質

X-31飛機使用推力矢量技術后，在66次模擬空戰(zhàn)中總共擊敗F/A-18戰(zhàn)斗機64次。

2018年11月6日，第十二屆中國國際航空航天博覽會在廣東珠海拉開帷幕。在此次珠海航展中，國產殲10B TVC驗證機首次亮相，憑借推力矢量發(fā)動機做出“眼鏡”“落葉飄”等令人眼花繚亂的過失速機動，引發(fā)了公眾對國產推力矢量發(fā)動機的關注。

作為戰(zhàn)斗機突破失速限制、提高機動性和敏捷性的利器，推力矢量技術歷來倍受航空強國重視。目前的推力矢量噴管采用機械作動來改變推力方向，結構復雜且可靠性低。據(jù)統(tǒng)計，一個高度復雜的先進可調推力矢量噴管可占整個推進系統(tǒng)重量的20%～30%，這顯然與飛機設計師“為減重1克而奮斗”的理念相悖。用于實現(xiàn)推力轉向的運動元件包括調節(jié)片、運動機構、執(zhí)行機構就多達1000多件，不僅維護難度大，而且不利于戰(zhàn)斗機隱身。

由此可見，研制一款新型推力矢量發(fā)動機，減重增效，已成為提高未來戰(zhàn)斗機性能的關鍵問題。鑒于此，科研人員把目光放在了火箭上采用的流體推力矢量技術。

流體推力矢量技術，又名流體作動式推力矢量控制技術。通過在擴散段噴入兩股氣流，改變主流的面積和方向，從而達到推力矢量的目的。相比傳統(tǒng)的推力矢量噴管，流體推力矢量噴管省去了許多復雜的作動元件，降低了維護成本，減輕了結構重量，未來可能成為推力矢量技術的發(fā)展方向。

先說推力矢量飛機的前傳

說到流體推力矢量技術，就要從推力矢量發(fā)動機的發(fā)展談起。任何技術都有其發(fā)展過程，推力矢量技術亦是如此。傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗機采用氣動舵面控制，當飛行迎角過大時，氣動舵面失效，飛機就會面臨失速的危險。20世紀40年代，采用推力矢量技術控制飛機的概念被提出，之后推力矢量發(fā)動機應運而生。推力矢量發(fā)動機與常規(guī)發(fā)動機的不同之處在于：它不僅能夠為飛機提供前進的推力，而且還可以通過噴管的轉向，實現(xiàn)推力方向的偏轉。相比只能提供軸向推力、不直接參與飛機控制的常規(guī)發(fā)動機，采用推力矢量噴管的發(fā)動機可以彌補或取代飛機的氣動舵面，并直接參與到對飛機的控制，這將顯著提高戰(zhàn)斗機的飛行性能。

推力矢量技術（Thrust Vector Control）是一項涉及航空航天技術、控制技術、計算流體力學等學科的復雜技術，為了使得這項復雜的技術得以付諸實現(xiàn)，科研人員展開了漫長的探索，并不斷在推力矢量技術領域取得新突破。20世紀70年代，德國MBB公司著名飛機設計師沃爾夫崗·赫爾伯斯博士結合未來空戰(zhàn)對空中格斗的要求，提出利用偏轉裝置改變發(fā)動機尾噴流的方向來提高飛機的機動性能，即推力矢量控制技術。1985年，美國國防高級技術研究計劃局（DARPA）和西德梅塞施密特集團聯(lián)合開展了有關推力矢量技術的可行性研究。1990年3月，美國羅克韋爾公司、波音公司和德國MBB公司共同研發(fā)的試驗研究飛機X-31出廠，該機在發(fā)動機尾噴管裝有可改變推力方向的3塊碳纖維復合材料舵面，順利完成了試飛，其舵面可相對發(fā)動機軸線偏轉±10度，在迎角為70度時仍然能夠操作自如，具有良好的過失速性能。

從1993年11月至1994年年底，X-31與F/A-18曾展開多次模擬空戰(zhàn)。在X-31飛機不使用推力矢量噴管的16次空戰(zhàn)中，F(xiàn)/A-18以12：4的戰(zhàn)績擊敗X-31;而在X-31使用推力矢量技術后的66次空戰(zhàn)中，X-31總共擊敗F/A-18戰(zhàn)斗機64次。推力矢量技術在空戰(zhàn)的優(yōu)勢開始得到初步體現(xiàn)。

目前主要研究的推力矢量類型按矢量推力產生方式可分為外推力矢量和內推力矢量。

外推力矢量憑借安裝在發(fā)動機噴管或飛機尾部結構名為“燃氣舵”的偏轉構件改變噴流方向，該方法的優(yōu)勢在于結構較為簡單，推力矢量容易實現(xiàn);但缺點是氣動損失大，結構破壞飛機氣動外形。在噴流轉向時，氣流偏轉角度遠低于燃氣舵偏轉角度，因此該結構僅適用于推力矢量技術的試驗論證，并不適用于實際使用的戰(zhàn)機。

內推力矢量依靠控制發(fā)動機噴管轉向，也被稱為推力矢量噴管。

再說推力矢量噴管

推力矢量噴管的種類繁多。目前較為成熟的矢量噴管主要有軸對稱矢量噴管和二元推力矢量噴管。

所謂二元矢量噴管，指的是發(fā)動機的尾噴管能夠在俯仰與偏航方向發(fā)生偏轉，使飛機能夠在偏航和俯仰方向上產生垂直于飛機軸線的附加力矩，從而使飛機實現(xiàn)推力矢量控制。二元矢量噴管外形一般是矩形的，也可以是4塊能夠配套轉動的調節(jié)板。目前二元推力矢量噴管的種類主要有：純膨脹斜坡矢量噴管（SERN）、二元收斂一擴散矢量噴管（2DCDN）、滑動喉道式推力矢量噴管（STVN）、二元楔體式矢量噴管（2DWN）和球面收斂調節(jié)片矢量噴管（SCFN）等。美國F-22、YF-23隱形戰(zhàn)斗機采用的就是二元推力矢量發(fā)動機。研究表明，二元推力矢量噴管較容易實現(xiàn)推力矢量，噴管外形利于隱身;缺點是結構笨重，且不能產生航向上的力矩。

1996年的英國范堡羅國際航展，加裝軸對稱矢量噴管的俄羅斯蘇-37戰(zhàn)斗機驚艷亮相，再度掀起了研究推力矢量技術的高潮。俄羅斯雖然在推力矢量技術領域起步較晚，但在軸對稱推力矢量噴管的研究上卻走在美國的前列。軸對稱矢量噴管的特點是通過尾噴管的轉動和擴張來改變推力方向。軸對稱矢量噴管與二元推力矢量噴管的不同在于軸對稱矢量噴管除了能為戰(zhàn)機提供俯仰力矩外，還可以改變飛機航向上的噴流方向，具有容易產生偏航力矩、結構重量較輕的優(yōu)點。

X-31在發(fā)動機尾噴管裝有可改變推力方向的3塊碳纖維復合材料舵面。

美國F-22隱形戰(zhàn)斗機上用的普惠F119發(fā)動機就采用了二元推力矢量。

隨著F-22、殲20、蘇-57等第四代隱形戰(zhàn)斗機的服役，推力矢量技術迎來了新的發(fā)展高潮。推力矢量噴管不僅成為第四代戰(zhàn)斗機的關鍵技術，也開始成為三代半戰(zhàn)斗機的新寵兒。事實上，為順應世界航空發(fā)展趨勢，我國早在幾年前就已經啟動了推力矢量技術的研究計劃。去年亮相珠海的殲10B TVC推力矢量驗證機，就是中國推力矢量技術發(fā)展的縮影。從珠海航展的公開視頻來看，殲10B TVC采用了類似于俄羅斯蘇-35戰(zhàn)斗機的軸對稱推力矢量噴管。與蘇-35所用的117S發(fā)動機不同，殲10B TVC的矢量噴管管身較短，且安裝了許多用于減少推力損失的小型調節(jié)片。作為世界第一款單發(fā)推力矢量戰(zhàn)斗機，殲10B TVC的控制難度明顯高于蘇-35。換言之，天生靜不穩(wěn)定的殲10B TVC要想在低空完成“眼鏡蛇”“赫布斯特”等高難度過失速機動，光靠鴨翼和矢量噴管控制是遠遠不夠的，還需要依靠一套先進的飛行控制系統(tǒng)來實現(xiàn)氣動舵面和矢量噴管的耦合。這也是現(xiàn)如今許多推力矢量飛機在設計之初采用一體化設計的緣故。

雖然推力矢量技術有諸多優(yōu)勢，但仍然有許多技術難題。目前的推力矢量噴管主要為機械作動式矢量噴管。數(shù)量繁多的機械作動件沉重且不利于隱身，光是作動筒和執(zhí)行機構就付出了過于沉重的代價。

盡管近幾年研究人員也研制出了新型機械式推力矢量噴管，但仍然無法克服作動機構帶來的問題。在此背景下，流體推力矢量噴管提供了另外的解決方案。

啥是流體推力矢量技術

流體推力矢量技術通過對噴管內二次流抽吸或注入氣流的方式迫使噴流發(fā)生偏轉。與傳統(tǒng)推力矢量噴管相比，流體推力矢量噴管省去了復雜的作動機構，系統(tǒng)維護性和可靠性大大提高。目前實現(xiàn)流體推力矢量的途徑也有很多。以下介紹3種典型的流體推力矢量技術。

附面層推力矢量控制技術

當外界空氣從擴散段的一個或多個噴射孔進入時，導致擴散段壓力失衡，壓力失衡引起氣流分離。氣流分離迫使主流產生側向力矩，從而達到推力矢量的目的。這種推力矢量方法對飛行高度較為敏感，要求環(huán)境壓力要大于噴管內分離區(qū)的壓力，因而不適合高空飛行。

附面層推力矢量控制示意圖

反流推力矢量控制技術

在噴口出口截面增加了一個外套。當需要主流偏轉時，抽吸裝置啟動，氣流沿噴管中的二股流腔道反向流動，從而產生負壓差，促使主流方向改變。以主流上下偏轉為例，當上部腔道產生負壓差時，噴流向上偏轉;當下部腔道產生負壓差時，噴流向下偏轉。試驗表明，這種矢量技術只需要少量的反流就可以實現(xiàn)推力偏轉。只不過當矢量偏角超過16度時，噴管可能會出現(xiàn)氣流脈動或顫震等異?，F(xiàn)象。

反流推力矢量控制示意圖

可控噴流推力矢量技術

該推力矢量噴管原理與附面層推力矢量技術有一定相似之處，不同之處在于該矢量噴管需要兩股流噴射用的高壓氣源以及噴流出口處增加了收縮段。當高壓噴射流從擴散段射入主流，引起氣流分離，迫使主流向噴射孔對側偏轉和氣動流通面積減小。由于噴流出口處的超聲速氣流使可控噴流區(qū)與環(huán)境隔絕，噴流在可控噴流區(qū)的壓力下工作，故而這種方法不受高度限制。

可控噴流推力矢量技術示意圖

除此之外，相關國家還研制了一種機械/流體推力矢量噴管，可見不同國家在研制流體推力矢量噴管領域都有其獨特的思路。

與傳統(tǒng)推力矢量技術相比，流體推力矢量方法具有如下優(yōu)點：

噴管采用流體作動，省去了諸如作動筒、執(zhí)行機構、調節(jié)片、密封片等復雜的機械作動部件，大大降低研制和維護成本，并減輕了重量。提高了推力矢量發(fā)動機的可靠性。

大大改善了飛機的機動性和敏捷性。由于流體推力矢量噴管全部采用流體作動，噴流偏轉沒有了慣性力和摩擦力，因而偏轉響應快，靈敏度高。毫秒級的反應速度非常利于應對現(xiàn)代空戰(zhàn)瞬息萬變的戰(zhàn)場環(huán)境。

由于省去了作動筒、執(zhí)行機構、調節(jié)片、密封片等復雜零部件，矢量噴管變得更加簡潔，這有利于提高飛行器的隱身性能和飛行器尾部的減阻。

此外，二次噴射流能起到冷卻噴口的作用，這將進一步提高飛行器的紅外隱身性能。

凡事有矛必有盾，流體推力矢量技術也有不少缺點。唯有發(fā)現(xiàn)這些缺點，才能趨利避害，充分發(fā)揮流體推力矢量技術的優(yōu)勢。

由于流體推力矢量技術需要通過二股噴射流改變主流方向，所以流體推力矢量技術要求有氣源或吸氣。無論是高壓氣源還是吸氣，都需要引氣。這就要對發(fā)動機進行結構性調整，這也是流體推力矢量噴管研制過程中的首要問題，必須解決。此外，流體推力矢量噴管的結構布局問題和噴管調節(jié)問題也是限制其發(fā)展的一大因素。

在俄羅斯蘇霍伊戰(zhàn)斗機家族中。蘇-30MKI、蘇-35、蘇-57等機型均采用了軸對稱矢量噴管。兩臺發(fā)動機還能產生不同方向上的推力矢量，實現(xiàn)差動。

進擊的流體推力矢量技術

雖然至今還沒有一款實用型的流體推力矢量噴管裝備在戰(zhàn)斗機上，但流體推力矢量技術在很早之前就應用在火箭與導彈領域。說起流體推力矢量技術在導彈上的應用，就不能不提到“北極星A-3”型導彈?！氨睒O星”導彈是世界上第一款真正意義的潛艇發(fā)射彈道導彈。作為“北極星”家族一員，“北極星A-3”導彈開創(chuàng)了流體推力矢量噴管在飛行器應用的先河。與“北極星A-1”“北極星A-2”采用的機械式氣流偏轉器不同，“北極星A-3”第二級發(fā)動機通過引入射流產生滾轉、偏航、俯仰力矩，從而實現(xiàn)推力矢量。具體而言，就是在發(fā)動機噴管擴散段注入高密度的氟利昂氣體，通過產生激波迫使主流發(fā)生偏轉。較輕的發(fā)動機結構、更佳的推進系統(tǒng)使得“北極星A-3”導彈射程提高了60%。此外，美國還在“民兵”導彈中安裝了流體推力矢量噴管。考慮到流體推力矢量技術的優(yōu)勢，相關航空強國紛紛展開了實驗研究和仿真研究相結合的相關探索，并取得了豐碩的研究成果。

在流體推力矢量技術研究領域有著豐富經驗的研究機構莫過于美國NASA蘭利研究中心。近幾年來，蘭利研究中心以幾何形狀固定不變的矢量噴管為重點，通過實驗研究和數(shù)值模擬，積累了大量有關射流控制技術的資料。該研究中心主要研究激波矢量法、逆向流法、喉道偏移法這三種具有廣闊前景的流體推力矢量方法。美國在流體推力矢量領域的研究成果為后期流體推力矢量技術的實際應用奠定了基礎。NASA和波音公司聯(lián)合研制的X-36無尾研究機可能采用一種具有偏航能力的流體推力矢量噴管。在未來，流體推力矢量噴管將有望安裝在X-45隱形無人作戰(zhàn)飛機上，為飛行器提供輔助偏航力矩。除此之外，NASA還與普惠公司開展了針對F-22戰(zhàn)斗機采用的F119發(fā)動機模型而進行的關于射流推力矢量噴管的實驗研究。

展望

流體推力矢量技術已在火箭與導彈領域投入使用。從目前來看，實現(xiàn)流體推力矢量技術在戰(zhàn)斗機上的應用還有諸多難題，各型流體推力矢量噴管都有其各自的優(yōu)缺點，離實用化還有一定距離。然而，流體推力矢量技術具有廣闊的前景。無論是減重增效還是強化隱身性能，流體推力矢量噴管都與未來戰(zhàn)斗機設計理念不謀而合。隨著現(xiàn)代空戰(zhàn)環(huán)境的日趨惡化，現(xiàn)代戰(zhàn)爭對戰(zhàn)斗機性能有了更高的要求。推力矢量技術作為提高戰(zhàn)斗機性能的利器也必將引起業(yè)內的廣泛關注。要想提高推力矢量噴管的性能，就需要從多方面優(yōu)化現(xiàn)有推力矢量噴管。可以肯定的是，流體推力矢量噴管將成為未來戰(zhàn)斗機的新技術，使戰(zhàn)機如虎添翼，決勝空天戰(zhàn)場！

責任編輯：吳佩新

一種用于測試流體推力矢量的裝置。