吳英質(zhì)

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

2018年11月6日，第十二屆中國(guó)國(guó)際航空航天博覽會(huì)在廣東珠海拉開(kāi)帷幕。在此次珠海航展中，國(guó)產(chǎn)殲10B TVC驗(yàn)證機(jī)首次亮相，憑借推力矢量發(fā)動(dòng)機(jī)做出“眼鏡”“落葉飄”等令人眼花繚亂的過(guò)失速機(jī)動(dòng)，引發(fā)了公眾對(duì)國(guó)產(chǎn)推力矢量發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)注。

作為戰(zhàn)斗機(jī)突破失速限制、提高機(jī)動(dòng)性和敏捷性的利器，推力矢量技術(shù)歷來(lái)倍受航空強(qiáng)國(guó)重視。目前的推力矢量噴管采用機(jī)械作動(dòng)來(lái)改變推力方向，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且可靠性低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)高度復(fù)雜的先進(jìn)可調(diào)推力矢量噴管可占整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)重量的20%～30%，這顯然與飛機(jī)設(shè)計(jì)師“為減重1克而奮斗”的理念相悖。用于實(shí)現(xiàn)推力轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)元件包括調(diào)節(jié)片、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)就多達(dá)1000多件，不僅維護(hù)難度大，而且不利于戰(zhàn)斗機(jī)隱身。

由此可見(jiàn)，研制一款新型推力矢量發(fā)動(dòng)機(jī)，減重增效，已成為提高未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)性能的關(guān)鍵問(wèn)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(shù)。

流體推力矢量技術(shù)，又名流體作動(dòng)式推力矢量控制技術(shù)。通過(guò)在擴(kuò)散段噴入兩股氣流，改變主流的面積和方向，從而達(dá)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(fù)雜的作動(dòng)元件，降低了維護(hù)成本，減輕了結(jié)構(gòu)重量，未來(lái)可能成為推力矢量技術(shù)的發(fā)展方向。

先說(shuō)推力矢量飛機(jī)的前傳

說(shuō)到流體推力矢量技術(shù)，就要從推力矢量發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展談起。任何技術(shù)都有其發(fā)展過(guò)程，推力矢量技術(shù)亦是如此。傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗機(jī)采用氣動(dòng)舵面控制，當(dāng)飛行迎角過(guò)大時(shí)，氣動(dòng)舵面失效，飛機(jī)就會(huì)面臨失速的危險(xiǎn)。20世紀(jì)40年代，采用推力矢量技術(shù)控制飛機(jī)的概念被提出，之后推力矢量發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。推力矢量發(fā)動(dòng)機(jī)與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同之處在于：它不僅能夠?yàn)轱w機(jī)提供前進(jìn)的推力，而且還可以通過(guò)噴管的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)推力方向的偏轉(zhuǎn)。相比只能提供軸向推力、不直接參與飛機(jī)控制的常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)，采用推力矢量噴管的發(fā)動(dòng)機(jī)可以彌補(bǔ)或取代飛機(jī)的氣動(dòng)舵面，并直接參與到對(duì)飛機(jī)的控制，這將顯著提高戰(zhàn)斗機(jī)的飛行性能。

推力矢量技術(shù)（Thrust Vector Control）是一項(xiàng)涉及航空航天技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算流體力學(xué)等學(xué)科的復(fù)雜技術(shù)，為了使得這項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)得以付諸實(shí)現(xiàn)，科研人員展開(kāi)了漫長(zhǎng)的探索，并不斷在推力矢量技術(shù)領(lǐng)域取得新突破。20世紀(jì)70年代，德國(guó)MBB公司著名飛機(jī)設(shè)計(jì)師沃爾夫崗·赫爾伯斯博士結(jié)合未來(lái)空戰(zhàn)對(duì)空中格斗的要求，提出利用偏轉(zhuǎn)裝置改變發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴流的方向來(lái)提高飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能，即推力矢量控制技術(shù)。1985年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)技術(shù)研究計(jì)劃局（DARPA）和西德梅塞施密特集團(tuán)聯(lián)合開(kāi)展了有關(guān)推力矢量技術(shù)的可行性研究。1990年3月，美國(guó)羅克韋爾公司、波音公司和德國(guó)MBB公司共同研發(fā)的試驗(yàn)研究飛機(jī)X-31出廠，該機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管裝有可改變推力方向的3塊碳纖維復(fù)合材料舵面，順利完成了試飛，其舵面可相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)軸線偏轉(zhuǎn)±10度，在迎角為70度時(shí)仍然能夠操作自如，具有良好的過(guò)失速性能。

從1993年11月至1994年年底，X-31與F/A-18曾展開(kāi)多次模擬空戰(zhàn)。在X-31飛機(jī)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(jī)擊敗X-31;而在X-31使用推力矢量技術(shù)后的66次空戰(zhàn)中，X-31總共擊敗F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)64次。推力矢量技術(shù)在空戰(zhàn)的優(yōu)勢(shì)開(kāi)始得到初步體現(xiàn)。

目前主要研究的推力矢量類(lèi)型按矢量推力產(chǎn)生方式可分為外推力矢量和內(nèi)推力矢量。

外推力矢量憑借安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管或飛機(jī)尾部結(jié)構(gòu)名為“燃?xì)舛妗钡钠D(zhuǎn)構(gòu)件改變噴流方向，該方法的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，推力矢量容易實(shí)現(xiàn);但缺點(diǎn)是氣動(dòng)損失大，結(jié)構(gòu)破壞飛機(jī)氣動(dòng)外形。在噴流轉(zhuǎn)向時(shí)，氣流偏轉(zhuǎn)角度遠(yuǎn)低于燃?xì)舛嫫D(zhuǎn)角度，因此該結(jié)構(gòu)僅適用于推力矢量技術(shù)的試驗(yàn)論證，并不適用于實(shí)際使用的戰(zhàn)機(jī)。

內(nèi)推力矢量依靠控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴管轉(zhuǎn)向，也被稱(chēng)為推力矢量噴管。

再說(shuō)推力矢量噴管

推力矢量噴管的種類(lèi)繁多。目前較為成熟的矢量噴管主要有軸對(duì)稱(chēng)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(dòng)機(jī)的尾噴管能夠在俯仰與偏航方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使飛機(jī)能夠在偏航和俯仰方向上產(chǎn)生垂直于飛機(jī)軸線的附加力矩，從而使飛機(jī)實(shí)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(zhuǎn)動(dòng)的調(diào)節(jié)板。目前二元推力矢量噴管的種類(lèi)主要有：純膨脹斜坡矢量噴管（SERN）、二元收斂一擴(kuò)散矢量噴管（2DCDN）、滑動(dòng)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(diào)節(jié)片矢量噴管（SCFN）等。美國(guó)F-22、YF-23隱形戰(zhàn)斗機(jī)采用的就是二元推力矢量發(fā)動(dòng)機(jī)。研究表明，二元推力矢量噴管較容易實(shí)現(xiàn)推力矢量，噴管外形利于隱身;缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)笨重，且不能產(chǎn)生航向上的力矩。

1996年的英國(guó)范堡羅國(guó)際航展，加裝軸對(duì)稱(chēng)矢量噴管的俄羅斯蘇-37戰(zhàn)斗機(jī)驚艷亮相，再度掀起了研究推力矢量技術(shù)的高潮。俄羅斯雖然在推力矢量技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，但在軸對(duì)稱(chēng)推力矢量噴管的研究上卻走在美國(guó)的前列。軸對(duì)稱(chēng)矢量噴管的特點(diǎn)是通過(guò)尾噴管的轉(zhuǎn)動(dòng)和擴(kuò)張來(lái)改變推力方向。軸對(duì)稱(chēng)矢量噴管與二元推力矢量噴管的不同在于軸對(duì)稱(chēng)矢量噴管除了能為戰(zhàn)機(jī)提供俯仰力矩外，還可以改變飛機(jī)航向上的噴流方向，具有容易產(chǎn)生偏航力矩、結(jié)構(gòu)重量較輕的優(yōu)點(diǎn)。

X-31在發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管裝有可改變推力方向的3塊碳纖維復(fù)合材料舵面。

美國(guó)F-22隱形戰(zhàn)斗機(jī)上用的普惠F119發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)的服役，推力矢量技術(shù)迎來(lái)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(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，也開(kāi)始成為三代半戰(zhàn)斗機(jī)的新寵兒。事實(shí)上，為順應(yīng)世界航空發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)早在幾年前就已經(jīng)啟動(dòng)了推力矢量技術(shù)的研究計(jì)劃。去年亮相珠海的殲10B TVC推力矢量驗(yàn)證機(jī)，就是中國(guó)推力矢量技術(shù)發(fā)展的縮影。從珠海航展的公開(kāi)視頻來(lái)看，殲10B TVC采用了類(lèi)似于俄羅斯蘇-35戰(zhàn)斗機(jī)的軸對(duì)稱(chēng)推力矢量噴管。與蘇-35所用的117S發(fā)動(dòng)機(jī)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(diào)節(jié)片。作為世界第一款單發(fā)推力矢量戰(zhàn)斗機(jī)，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(guò)失速機(jī)動(dòng)，光靠鴨翼和矢量噴管控制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要依靠一套先進(jìn)的飛行控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)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(jī)在設(shè)計(jì)之初采用一體化設(shè)計(jì)的緣故。

雖然推力矢量技術(shù)有諸多優(yōu)勢(shì)，但仍然有許多技術(shù)難題。目前的推力矢量噴管主要為機(jī)械作動(dòng)式矢量噴管。數(shù)量繁多的機(jī)械作動(dòng)件沉重且不利于隱身，光是作動(dòng)筒和執(zhí)行機(jī)構(gòu)就付出了過(guò)于沉重的代價(jià)。

盡管近幾年研究人員也研制出了新型機(jī)械式推力矢量噴管，但仍然無(wú)法克服作動(dòng)機(jī)構(gòu)帶來(lái)的問(wèn)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(shù)

流體推力矢量技術(shù)通過(guò)對(duì)噴管內(nèi)二次流抽吸或注入氣流的方式迫使噴流發(fā)生偏轉(zhuǎn)。與傳統(tǒng)推力矢量噴管相比，流體推力矢量噴管省去了復(fù)雜的作動(dòng)機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)維護(hù)性和可靠性大大提高。目前實(shí)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(shù)。

附面層推力矢量控制技術(shù)

當(dāng)外界空氣從擴(kuò)散段的一個(gè)或多個(gè)噴射孔進(jìn)入時(shí)，導(dǎo)致擴(kuò)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(chǎn)生側(cè)向力矩，從而達(dá)到推力矢量的目的。這種推力矢量方法對(duì)飛行高度較為敏感，要求環(huán)境壓力要大于噴管內(nèi)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(shù)

在噴口出口截面增加了一個(gè)外套。當(dāng)需要主流偏轉(zhuǎn)時(shí)，抽吸裝置啟動(dòng)，氣流沿噴管中的二股流腔道反向流動(dòng)，從而產(chǎn)生負(fù)壓差，促使主流方向改變。以主流上下偏轉(zhuǎn)為例，當(dāng)上部腔道產(chǎn)生負(fù)壓差時(shí)，噴流向上偏轉(zhuǎn);當(dāng)下部腔道產(chǎn)生負(fù)壓差時(shí)，噴流向下偏轉(zhuǎn)。試驗(yàn)表明，這種矢量技術(shù)只需要少量的反流就可以實(shí)現(xiàn)推力偏轉(zhuǎn)。只不過(guò)當(dāng)矢量偏角超過(guò)16度時(shí)，噴管可能會(huì)出現(xiàn)氣流脈動(dòng)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(shù)

該推力矢量噴管原理與附面層推力矢量技術(shù)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(dāng)高壓噴射流從擴(kuò)散段射入主流，引起氣流分離，迫使主流向噴射孔對(duì)側(cè)偏轉(zhuǎn)和氣動(dòng)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(shù)示意圖

除此之外，相關(guān)國(guó)家還研制了一種機(jī)械/流體推力矢量噴管，可見(jiàn)不同國(guó)家在研制流體推力矢量噴管領(lǐng)域都有其獨(dú)特的思路。

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

噴管采用流體作動(dòng)，省去了諸如作動(dòng)筒、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)片、密封片等復(fù)雜的機(jī)械作動(dòng)部件，大大降低研制和維護(hù)成本，并減輕了重量。提高了推力矢量發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。

大大改善了飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性和敏捷性。由于流體推力矢量噴管全部采用流體作動(dòng)，噴流偏轉(zhuǎn)沒(méi)有了慣性力和摩擦力，因而偏轉(zhuǎn)響應(yīng)快，靈敏度高。毫秒級(jí)的反應(yīng)速度非常利于應(yīng)對(duì)現(xiàn)代空戰(zhàn)瞬息萬(wàn)變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

由于省去了作動(dòng)筒、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)片、密封片等復(fù)雜零部件，矢量噴管變得更加簡(jiǎn)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(jìn)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(shù)也有不少缺點(diǎn)。唯有發(fā)現(xiàn)這些缺點(diǎn)，才能趨利避害，充分發(fā)揮流體推力矢量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

由于流體推力矢量技術(shù)需要通過(guò)二股噴射流改變主流方向，所以流體推力矢量技術(shù)要求有氣源或吸氣。無(wú)論是高壓氣源還是吸氣，都需要引氣。這就要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性調(diào)整，這也是流體推力矢量噴管研制過(guò)程中的首要問(wèn)題，必須解決。此外，流體推力矢量噴管的結(jié)構(gòu)布局問(wèn)題和噴管調(diào)節(jié)問(wèn)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(jī)家族中。蘇-30MKI、蘇-35、蘇-57等機(jī)型均采用了軸對(duì)稱(chēng)矢量噴管。兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)還能產(chǎn)生不同方向上的推力矢量，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)。

進(jìn)擊的流體推力矢量技術(shù)

雖然至今還沒(méi)有一款實(shí)用型的流體推力矢量噴管裝備在戰(zhàn)斗機(jī)上，但流體推力矢量技術(shù)在很早之前就應(yīng)用在火箭與導(dǎo)彈領(lǐng)域。說(shuō)起流體推力矢量技術(shù)在導(dǎo)彈上的應(yīng)用，就不能不提到“北極星A-3”型導(dǎo)彈?！氨睒O星”導(dǎo)彈是世界上第一款真正意義的潛艇發(fā)射彈道導(dǎo)彈。作為“北極星”家族一員，“北極星A-3”導(dǎo)彈開(kāi)創(chuàng)了流體推力矢量噴管在飛行器應(yīng)用的先河。與“北極星A-1”“北極星A-2”采用的機(jī)械式氣流偏轉(zhuǎn)器不同，“北極星A-3”第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)引入射流產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)、偏航、俯仰力矩，從而實(shí)現(xiàn)推力矢量。具體而言，就是在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管擴(kuò)散段注入高密度的氟利昂氣體，通過(guò)產(chǎn)生激波迫使主流發(fā)生偏轉(zhuǎn)。較輕的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、更佳的推進(jìn)系統(tǒng)使得“北極星A-3”導(dǎo)彈射程提高了60%。此外，美國(guó)還在“民兵”導(dǎo)彈中安裝了流體推力矢量噴管?？紤]到流體推力矢量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，相關(guān)航空強(qiáng)國(guó)紛紛展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)研究和仿真研究相結(jié)合的相關(guān)探索，并取得了豐碩的研究成果。

在流體推力矢量技術(shù)研究領(lǐng)域有著豐富經(jīng)驗(yàn)的研究機(jī)構(gòu)莫過(guò)于美國(guó)NASA蘭利研究中心。近幾年來(lái)，蘭利研究中心以幾何形狀固定不變的矢量噴管為重點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，積累了大量有關(guān)射流控制技術(shù)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(guó)在流體推力矢量領(lǐng)域的研究成果為后期流體推力矢量技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。NASA和波音公司聯(lián)合研制的X-36無(wú)尾研究機(jī)可能采用一種具有偏航能力的流體推力矢量噴管。在未來(lái)，流體推力矢量噴管將有望安裝在X-45隱形無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)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(kāi)展了針對(duì)F-22戰(zhàn)斗機(jī)采用的F119發(fā)動(dòng)機(jī)模型而進(jìn)行的關(guān)于射流推力矢量噴管的實(shí)驗(yàn)研究。

展望

流體推力矢量技術(shù)已在火箭與導(dǎo)彈領(lǐng)域投入使用。從目前來(lái)看，實(shí)現(xiàn)流體推力矢量技術(shù)在戰(zhàn)斗機(jī)上的應(yīng)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(diǎn)，離實(shí)用化還有一定距離。然而，流體推力矢量技術(shù)具有廣闊的前景。無(wú)論是減重增效還是強(qiáng)化隱身性能，流體推力矢量噴管都與未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)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(zhēng)對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)性能有了更高的要求。推力矢量技術(shù)作為提高戰(zhàn)斗機(jī)性能的利器也必將引起業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)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?？梢钥隙ǖ氖牵黧w推力矢量噴管將成為未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)的新技術(shù)，使戰(zhàn)機(jī)如虎添翼，決勝空天戰(zhàn)場(chǎng)！

責(zé)任編輯：吳佩新

一種用于測(cè)試流體推力矢量的裝置。