航空發(fā)動機推力矢量技術探索
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構上的燃氣舵（又稱折流板）的偏轉來改變噴氣流方向（圖1）。
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圖1? 燃氣舵示意圖
? （2）內(nèi)推力矢量：通過發(fā)動機尾噴管自身結構的偏轉來實現(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也稱為內(nèi)推力矢量。
1.2按矢量推力噴管構造形式分
? （1）軸對稱推力矢量噴管：通過后尾噴管的轉動和收擴來改變噴流方向,其轉動機構常見有球鉸機構、萬向節(jié)機構和多連桿機構（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、擴散、轉動來實現(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噴管（圖4為其五種工作狀態(tài)）。

圖4? 二元收擴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，在需要主流偏轉時，啟動抽吸系統(tǒng)形成負壓，使主氣流偏轉產(chǎn)生側向力。
? （4）其他新型推力矢量噴管：多平面推力轉向噴管、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范圍廣，包括原氣動舵面操縱困難的大迎角、大側滑角、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向機動。
2.推力矢量技術的優(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，推力矢量技術可大大改進飛機的爬升率、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。
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，推力矢量技術還可以減少飛機起飛著陸時可能產(chǎn)生的滾轉。
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、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雜的機構和系統(tǒng)，為設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，如F-22飛機的二元推力矢量噴管，本來設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)展新型輕質高強度耐高溫結構材料，用于噴管制造以減輕推力矢量噴管重量，或者研究出結構更為簡單的推力矢量噴管，己成為推力矢量技術發(fā)展過程中需亟待解決的關鍵問題之一。
3.2噴管密封
? 推力矢量噴管是推力矢量航空發(fā)動機的關鍵部件，而推力矢量航空發(fā)動機的設計工作中最困準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動時要保持密封和結構完整, 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)動機推力矢量技術的研究過程中,推力矢量噴管偏轉漏氣對發(fā)動機推力產(chǎn)生的影響無疑是一項非常重要改進內(nèi)容。
3.3可靠性
? 我國國軍標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)動機結構件數(shù)量多且結構復雜，用于實施推力矢量的運動件如調節(jié)片、密封片、作動系統(tǒng)和執(zhí)行機構等可達一千多件，這樣一個復雜系統(tǒng)可靠性非常重要?？煽啃允峭屏κ噶亢娇瞻l(fā)動機正常發(fā)揮其作戰(zhàn)性能的基礎，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.結語
? 在航空、航天、航海領域，“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，期望在不遠的將來，國產(chǎn)發(fā)動機也能夠在這一技術上趕超美俄，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)境藝術工程設計有限公司，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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