作者:尹誌文 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動機,即為推力矢量航空發動機。
1.推力矢量的類型
1.1按矢量推力產生方式分
(1)外推力矢量:依靠安裝於發動機尾噴管後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)。
圖1 燃氣舵示意圖
(2)內推力矢量:通過發動機尾噴管自身結構的偏轉來實現尾噴管方向的改變,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:通過後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、萬向節機構和多連杆機構(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,通過後尾噴管上下不對稱地收斂、擴散、轉動來實現噴流方向的改變,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)。
圖4 二元收擴推力矢量噴管的五種工作狀態
(3)有反流推力的矢量噴管:在噴管出口截麵的外部加一個外套,形成反向流動的反流腔道,在需要主流偏轉時,啟動抽吸係統形成負壓,使主氣流偏轉產生側向力。
(4)其他新型推力矢量噴管:多平麵推力轉向噴管、球形收斂折葉噴管等。
1.3按推力矢量取代操縱麵控製程度分
(1)部分推力矢量控製: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、機動性仍然受舵麵控製的外部流動情況的影響。
(2)全部推力矢量控製:飛行器的控製力全由推力矢量提供,可以取消所有的氣動舵麵甚至垂尾,飛機的操縱力矩全部由推力矢量航空發動機提供。全推力矢量控製飛行器的控製適應範圍廣,包括原氣動舵麵操縱困難的大迎角、大側滑角、超低速度、高空等,並且易於實現過失速機動和快速機頭轉向機動。
2.推力矢量技術的優點
2.1提高機動性和敏捷性
由於改變推力矢量航空發動機尾噴流的方向,能夠直接為飛機提供俯仰、偏航和橫滾力矩以及反向推力,可以減少或取消舵麵操縱,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,並且提高了飛機在空中瞬時改變姿態的能力和敏捷性,開辟了全新的空中格鬥戰術。
2.2縮短起飛著陸滑跑距離
因推力矢量航空發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。因推力矢量航空發動機的使用可以減小舵麵甚至取消垂尾,從而大大減小了散射的麵積,提高了作戰時對戰區的突防能力、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
由於航空發動機推力矢量技術的運用有可能使飛機發展為消除全部舵麵和垂尾,成為“無尾”飛機,從而大大減少了操縱舵麵複雜的機構和係統,為設計更加簡潔的飛行器創造了條件。
3.發展建議
3.1增重控製
推力矢量噴管位於機尾,這樣其增重不僅使負荷增加,而且不利於機身的配平。 普惠公司把F100和F110發動機噴管裝成推力矢量噴管後,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,但由於增重過多等原因而取消了其反向推力功能。因此,發展新型輕質高強度耐高溫結構材料,用於噴管製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動機的關鍵部件,而推力矢量航空發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動機加力燃燒室與推力矢量噴管之間的密封聯接是極其複雜的,這些位置不但位於發動機的高壓、高溫區,而且要求在推力矢量噴管轉動時要保持密封和結構完整, 否則會出現漏氣,並引起發動機著火,對飛機和飛行員造成不可挽回的後果。因此, 在航空發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動機推力產生的影響無疑是一項非常重要改進內容。
3.3可靠性
我國國軍標GJB451A-2005把可靠性定義為“產品在規定條件下和規定時間內,完成規定功能的能力”。推力矢量航空發動機結構件數量多且結構複雜,用於實施推力矢量的運動件如調節片、密封片、作動係統和執行機構等可達一千多件,這樣一個複雜係統可靠性非常重要。可靠性是推力矢量航空發動機正常發揮其作戰性能的基礎,可靠性高的推力矢量航空發動機,在作戰使用過程中不易發生故障,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”也已經成為客觀規律,想要發展先進的戰鬥機,首先要解決的便是動力裝置問題。目前,隻有美俄等少數國家可以自行研製推力矢量航空發動機,我們要抓住這個機遇,期望在不遠的將來,國產發動機也能夠在這一技術上趕超美俄,提升我國戰鬥機的作戰能力,增強我國的國防軍事實力。
作者簡介:
(1)尹誌文:深圳市博爾創意文化發展有限公司,產品工程師
(2)施楚鈺:深圳市藝博堂環境藝術工程設計有限公司,會展經理
(3)李漢東:深圳市博爾創意文化發展有限公司,首席專家