航空發(fā)動機推力矢量技術(shù)探索
作者：尹志文
發(fā)布時間：2019-12-11
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作者：尹志文 ?施楚鈺 ?李漢東
0引言
? 在物理上，矢量是指既有大小又有方向的量，而對航空發(fā)動機來說，能通過改變尾噴流的方向，來為飛機提供俯仰力矩、偏航力矩、橫滾力矩和反推力的發(fā)動機，即為推力矢量航空發(fā)動機。
1.推力矢量的類型
1.1按矢量推力產(chǎn)生方式分
? （1）外推力矢量：依靠安裝于發(fā)動機尾噴管后或尾部結(jié)構(gòu)上的燃?xì)舛妫ㄓ址Q折流板）的偏轉(zhuǎn)來改變噴氣流方向（圖1）。
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圖1? 燃?xì)舛媸疽鈭D
? （2）內(nèi)推力矢量：通過發(fā)動機尾噴管自身結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)來實現(xiàn)尾噴管方向的改變，又稱為推力矢量噴管（圖2）。

圖2? 推力矢量噴管
??? 此外，由引入二次射流來改變尾噴流方向的技術(shù)也稱為內(nèi)推力矢量。
1.2按矢量推力噴管構(gòu)造形式分
? （1）軸對稱推力矢量噴管：通過后尾噴管的轉(zhuǎn)動和收擴(kuò)來改變噴流方向,其轉(zhuǎn)動機構(gòu)常見有球鉸機構(gòu)、萬向節(jié)機構(gòu)和多連桿機構(gòu)（圖3）。

圖3? 軸對稱推力矢量噴管
? （2）二元推力矢量噴管：其尾噴口呈矩形，通過后尾噴管上下不對稱地收斂、擴(kuò)散、轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)噴流方向的改變，包括固定式二元噴管和二元機械式收擴(kuò)噴管（圖4為其五種工作狀態(tài)）。

圖4? 二元收擴(kuò)推力矢量噴管的五種工作狀態(tài)
? （3）有反流推力的矢量噴管：在噴管出口截面的外部加一個外套，形成反向流動的反流腔道，在需要主流偏轉(zhuǎn)時，啟動抽吸系統(tǒng)形成負(fù)壓，使主氣流偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生側(cè)向力。
? （4）其他新型推力矢量噴管：多平面推力轉(zhuǎn)向噴管、球形收斂折葉噴管等。
1.3按推力矢量取代操縱面控制程度分
? （1）部分推力矢量控制：采用推力矢量同時，仍然使用方向舵、升降舵、副翼和襟翼,飛行器的操縱性、機動性仍然受舵面控制的外部流動情況的影響。
? （2）全部推力矢量控制：飛行器的控制力全由推力矢量提供，可以取消所有的氣動舵面甚至垂尾，飛機的操縱力矩全部由推力矢量航空發(fā)動機提供。全推力矢量控制飛行器的控制適應(yīng)范圍廣，包括原氣動舵面操縱困難的大迎角、大側(cè)滑角、超低速度、高空等，并且易于實現(xiàn)過失速機動和快速機頭轉(zhuǎn)向機動。
2.推力矢量技術(shù)的優(yōu)點
2.1提高機動性和敏捷性
? 由于改變推力矢量航空發(fā)動機尾噴流的方向，能夠直接為飛機提供俯仰、偏航和橫滾力矩以及反向推力，可以減少或取消舵面操縱，從而可以提高飛機的機動性。同時，推力矢量技術(shù)可大大改進(jìn)飛機的爬升率、橫滾性能和盤旋性能，并且提高了飛機在空中瞬時改變姿態(tài)的能力和敏捷性，開辟了全新的空中格斗戰(zhàn)術(shù)。
2.2縮短起飛著陸滑跑距離
? 因推力矢量航空發(fā)動機可直接提供升力分量和反推力，使飛機在很低速度下就可起飛和著陸，故而大大縮短起飛著陸滑跑距離。 此外，推力矢量技術(shù)還可以減少飛機起飛著陸時可能產(chǎn)生的滾轉(zhuǎn)。
2.3提高隱身能力和突防能力
? 所謂飛機隱身能力，就是指降低雷達(dá)、紅外線、聲、光和磁信號特征的反探測能力。因推力矢量航空發(fā)動機的使用可以減小舵面甚至取消垂尾，從而大大減小了散射的面積，提高了作戰(zhàn)時對戰(zhàn)區(qū)的突防能力、對地攻擊能力和迅速回程躲避能力。
2.4為設(shè)計更加簡潔的飛行器提供條件
? 由于航空發(fā)動機推力矢量技術(shù)的運用有可能使飛機發(fā)展為消除全部舵面和垂尾，成為“無尾”飛機，從而大大減少了操縱舵面復(fù)雜的機構(gòu)和系統(tǒng)，為設(shè)計更加簡潔的飛行器創(chuàng)造了條件。
3.發(fā)展建議
3.1增重控制
? 推力矢量噴管位于機尾，這樣其增重不僅使負(fù)荷增加，而且不利于機身的配平。 普惠公司把F100和F110發(fā)動機噴管裝成推力矢量噴管后，重量分別增加90kg和70kg，相對增重35%-45%。推力矢量噴管的增重會影響到飛機的性能與飛行品質(zhì)，如F-22飛機的二元推力矢量噴管，本來設(shè)計的是具有反向推力功能，但由于增重過多等原因而取消了其反向推力功能。因此，發(fā)展新型輕質(zhì)高強度耐高溫結(jié)構(gòu)材料，用于噴管制造以減輕推力矢量噴管重量，或者研究出結(jié)構(gòu)更為簡單的推力矢量噴管，己成為推力矢量技術(shù)發(fā)展過程中需亟待解決的關(guān)鍵問題之一。
3.2噴管密封
? 推力矢量噴管是推力矢量航空發(fā)動機的關(guān)鍵部件，而推力矢量航空發(fā)動機的設(shè)計工作中最困準(zhǔn)的是加力燃燒室與推力矢量噴管連接處的密封問題。帶有推力矢量噴管的航空發(fā)動機加力燃燒室與推力矢量噴管之間的密封聯(lián)接是極其復(fù)雜的，這些位置不但位于發(fā)動機的高壓、高溫區(qū)，而且要求在推力矢量噴管轉(zhuǎn)動時要保持密封和結(jié)構(gòu)完整, 否則會出現(xiàn)漏氣，并引起發(fā)動機著火，對飛機和飛行員造成不可挽回的后果。因此, 在航空發(fā)動機推力矢量技術(shù)的研究過程中,推力矢量噴管偏轉(zhuǎn)漏氣對發(fā)動機推力產(chǎn)生的影響無疑是一項非常重要改進(jìn)內(nèi)容。
3.3可靠性
? 我國國軍標(biāo)GJB451A-2005把可靠性定義為“產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力”。推力矢量航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)件數(shù)量多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用于實施推力矢量的運動件如調(diào)節(jié)片、密封片、作動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)等可達(dá)一千多件，這樣一個復(fù)雜系統(tǒng)可靠性非常重要。可靠性是推力矢量航空發(fā)動機正常發(fā)揮其作戰(zhàn)性能的基礎(chǔ)，可靠性高的推力矢量航空發(fā)動機，在作戰(zhàn)使用過程中不易發(fā)生故障，可以減少人力、物力、財力等維修資源的消耗。
4.結(jié)語
? 在航空、航天、航海領(lǐng)域，“飛天巡洋，動力先行”也已經(jīng)成為客觀規(guī)律，想要發(fā)展先進(jìn)的戰(zhàn)斗機，首先要解決的便是動力裝置問題。目前，只有美俄等少數(shù)國家可以自行研制推力矢量航空發(fā)動機，我們要抓住這個機遇，期望在不遠(yuǎn)的將來，國產(chǎn)發(fā)動機也能夠在這一技術(shù)上趕超美俄，提升我國戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)能力，增強我國的國防軍事實力。
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作者簡介：
（1）尹志文：深圳市博爾創(chuàng)意文化發(fā)展有限公司，產(chǎn)品工程師
（2）施楚鈺：深圳市藝博堂環(huán)境藝術(shù)工程設(shè)計有限公司，會展經(jīng)理
（3）李漢東：深圳市博爾創(chuàng)意文化發(fā)展有限公司，首席專家
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聽說，打賞我的人最后都找到了真愛。
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