氣動(dòng)推力矢量控制技術(shù)能為飛行器提供多個(gè)方向的操縱力和力矩，顯著提升飛行器的機(jī)動(dòng)性、敏捷性，滿足短距起降的需求。在眾多氣動(dòng)推力矢量控制技術(shù)路線中，康達(dá)（Coanda）附壁氣動(dòng)推力矢量控制技術(shù)已經(jīng)過(guò)多次飛行演示驗(yàn)證，展現(xiàn)了較廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。

相較于機(jī)械推力矢量控制技術(shù)，氣動(dòng)推力矢量控制技術(shù)是在噴管主結(jié)構(gòu)形式保持不變的前提下，通過(guò)注入二次流實(shí)現(xiàn)氣流方向的控制，為飛行器提供操縱力矩，具有構(gòu)型更簡(jiǎn)單、質(zhì)量更輕且響應(yīng)更迅速的特點(diǎn)。氣動(dòng)矢量技術(shù)從空氣動(dòng)力學(xué)原理上可以分為激波控制和康達(dá)附壁控制，如圖 1所示。其中，激波控制包括激波矢量、喉道偏置和雙喉道矢量控制等方法，基本原理是在噴管不同位置注入二次流，誘導(dǎo)產(chǎn)生斜激波以改變主流方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)推力矢量化；康達(dá)附壁控制的基本原理均是以康達(dá)壁面為主要構(gòu)型，借助主流的康達(dá)效應(yīng)(Coanda Effect)，同時(shí)利用二次流與發(fā)動(dòng)機(jī)主噴流剪切層的相互作用實(shí)現(xiàn)主流的矢量偏轉(zhuǎn)控制?？颠_(dá)附壁類控制根據(jù)二次流和主流的相對(duì)方向不同，進(jìn)一步細(xì)分為逆向流、同向流和法向流等方法。在亞聲速噴管中，康達(dá)附壁控制方法能夠獲得相對(duì)較大的矢量角，且具備較高的控制效率和較佳的控制線性度。

康達(dá)附壁類控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

由于逆向二次流激勵(lì)手段需要在噴管外部構(gòu)造一個(gè)負(fù)壓環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣流的抽吸，工程實(shí)現(xiàn)難度較大，因此康達(dá)附壁氣動(dòng)矢量技術(shù)的發(fā)展主要圍繞同向二次流和法向二次流激勵(lì)手段開(kāi)展，如圖2所示。

圖 1 現(xiàn)有氣動(dòng)推力矢量控制技術(shù)路線

圖 2 工程中常見(jiàn)的康達(dá)附壁氣動(dòng)矢量控制技術(shù)的兩種引氣激勵(lì)方案

同向流康達(dá)附壁推力矢量控制

從20世紀(jì)90年代，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)就開(kāi)始進(jìn)行同向流康達(dá)附壁推力矢量控制的相關(guān)基礎(chǔ)研究。在微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行的一系列試驗(yàn)證明了同向流技術(shù)在低速、亞聲速噴管中高效控制能力，所獲得的矢量角可以超過(guò)25°。為了推進(jìn)同向流技術(shù)在飛行平臺(tái)中的應(yīng)用，該團(tuán)隊(duì)完成了推力矢量控制系統(tǒng)的地面靜態(tài)測(cè)試，獲取了推力矢量的控制響應(yīng)曲線，如圖3（a）所示。結(jié)果表明，根據(jù)流量范圍確定合適的控制閥尺寸，控制響應(yīng)就能保持良好的線性度，且控制響應(yīng)特性具有獨(dú)特的“N”形特征，中間存在一個(gè)負(fù)增益的反向控制區(qū)，兩側(cè)則呈現(xiàn)出正向控制特征，其中反向控制增益是正向控制的10倍，即控制所需的引氣量是正向控制所需的1/10。

在大量基礎(chǔ)研究成果的支撐下，“惡魔”（Demon）無(wú)人驗(yàn)證機(jī)在2010年9月完成首飛，其借助同向流康達(dá)附壁氣動(dòng)矢量控制和環(huán)量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械舵面的完全替代，如圖3（b）所示。其中，氣動(dòng)矢量噴管主要用于取代傳統(tǒng)的升降舵實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的俯仰控制，初步證明了氣動(dòng)推力矢量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛行器操控的可行性和廣闊的工程應(yīng)用前景?！皭耗А睙o(wú)人機(jī)的噴管從方形入口過(guò)渡到矩形出口，矩形截面長(zhǎng)寬比為10，如圖3（c）所示。

圖3 “惡魔” 無(wú)人機(jī)相關(guān)研究

法向流矢量控制

在上述同向流推力矢量技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，為了充分發(fā)揮康達(dá)附壁效應(yīng)中負(fù)增益控制區(qū)內(nèi)高效氣動(dòng)矢量控制潛力，英國(guó)BAE系統(tǒng)公司和曼徹斯特大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)又發(fā)展了基于法向二次流的康達(dá)附壁氣動(dòng)矢量控制技術(shù)，在設(shè)計(jì)中引入了后臺(tái)階結(jié)構(gòu)，通過(guò)臺(tái)階下游的法向二次流控制氣流實(shí)現(xiàn)矢量偏轉(zhuǎn)，并利用臺(tái)階結(jié)構(gòu)消除氣動(dòng)矢量控制的遲滯和雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。采用如圖4（a）所示的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴管，其峰值馬赫數(shù)（Ma）約為0.8，該技術(shù)方案只需要大約2%的發(fā)動(dòng)機(jī)核心流量即可實(shí)現(xiàn)10°的矢量力偏轉(zhuǎn)角。同時(shí)，在控制規(guī)律方面，試驗(yàn)測(cè)得該技術(shù)方案的控制響應(yīng)曲線如圖4（b）所示，結(jié)果表明控制響應(yīng)中心的“死區(qū)”被消除，以推力矢量控制實(shí)現(xiàn)了類似于常規(guī)舵面控制的效果。該技術(shù)方案最終在“巖漿”（Magma）無(wú)人機(jī)中進(jìn)行了飛行驗(yàn)證，如圖4（c）所示。相比于“惡魔”無(wú)人機(jī)采用的同向流激勵(lì)方案，該技術(shù)路線的控制響應(yīng)線性度更好，控制響應(yīng)特性更優(yōu)。“巖漿”無(wú)人機(jī)試飛驗(yàn)證的成功代表了氣動(dòng)推力矢量應(yīng)用研究的最高水平，同時(shí)也充分證明了氣動(dòng)推力矢量控制技術(shù)在高隱身無(wú)舵面飛行平臺(tái)中的工程應(yīng)用前景。

圖4 “巖漿” 無(wú)人機(jī)相關(guān)研究

康達(dá)附壁矢量控制技術(shù)改進(jìn)設(shè)計(jì)

以上所述的同向流和法向流矢量控制技術(shù)都存在一定的控制效率不足的問(wèn)題，即所需要的二次流流量過(guò)大以及矢量偏轉(zhuǎn)角不夠的問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者分別針對(duì)這兩種技術(shù)提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)的方法，一種采用無(wú)源次流的方式來(lái)避免了氣源引氣，另一種則引入自激發(fā)振蕩射流來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)定常射流以提升矢量控制效率。

無(wú)源二次流矢量控制

南京航空航天大學(xué)顧蘊(yùn)松團(tuán)隊(duì)提出了基于康達(dá)效應(yīng)的無(wú)源氣動(dòng)矢量控制技術(shù)以解決有源氣動(dòng)矢量控制對(duì)二次流的依賴，其技術(shù)原理如圖5（a）所示，在主射流引射作用下產(chǎn)生低壓區(qū)，通過(guò)噴管兩側(cè)聯(lián)通大氣引入外界氣流，從而驅(qū)動(dòng)射流方向偏轉(zhuǎn)，無(wú)須額外的二次流氣源，而是通過(guò)控制閥的開(kāi)度來(lái)進(jìn)行矢量偏角的控制，該技術(shù)與法向流矢量控制技術(shù)的區(qū)別主要是其所用的二次流直接來(lái)源于外界大氣。該技術(shù)方案最大的問(wèn)題在于，要保證外界大氣壓力始終高于噴管內(nèi)的壓力，這在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中往往難以實(shí)現(xiàn)。

圖5 無(wú)源二次流康達(dá)附壁氣動(dòng)矢量控制

顧蘊(yùn)松團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述無(wú)源康達(dá)附壁氣動(dòng)矢量控制技術(shù)開(kāi)展了系列研究，采用長(zhǎng)寬比為10的矩形截面噴管，在微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，并進(jìn)行了模型飛行演示。通過(guò)測(cè)力試驗(yàn)得到的平均推力矢量角隨控制閥變化的控制曲線，如圖5（b）所示，其最大推力矢量角約為12.8°，并實(shí)現(xiàn)了主射流的連續(xù)可控偏轉(zhuǎn)，且具有接近線性的推力矢量角控制規(guī)律。

振蕩射流激勵(lì)矢量控制

以低二次流消耗實(shí)現(xiàn)高效矢量控制和優(yōu)良、可重復(fù)的控制特性是氣動(dòng)矢量控制領(lǐng)域不斷追求的兩個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。振蕩射流激勵(lì)器（也被稱為流體振蕩器）不含任何活動(dòng)部件即可產(chǎn)生寬幅掃掠張角和高達(dá)10kHz的高頻激勵(lì)，其產(chǎn)生的高頻振蕩射流可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)比定常直射流更為顯著的流動(dòng)控制效果。在此基礎(chǔ)上，中國(guó)航發(fā)研究院與上海交通大學(xué)、中國(guó)民航大學(xué)組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)提出以流體振蕩器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓孔或狹縫，發(fā)展出了基于振蕩射流激勵(lì)的新型康達(dá)附壁氣動(dòng)矢量控制技術(shù)，其原理及幾何構(gòu)型如圖6所示。流體振蕩器產(chǎn)生的同向振蕩二次流，具有強(qiáng)烈的非穩(wěn)態(tài)特性，可以顯著增強(qiáng)主流在噴管出口的康達(dá)效應(yīng)，使主流更容易向噴管康達(dá)壁面偏轉(zhuǎn)，能夠在提高矢量控制效率的同時(shí)，改善矢量控制的線性度。

圖6 基于振蕩射流激勵(lì)的新型康達(dá)附壁氣動(dòng)矢量控制

渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)—?dú)鈩?dòng)推力矢量整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明（如圖7所示），基于振蕩射流的同向二次流矢量控制方法可以用較少的二次流消耗實(shí)現(xiàn)大幅度的矢量偏轉(zhuǎn)角，證明了上述方法在真實(shí)應(yīng)用環(huán)境下的可行性，為進(jìn)一步的飛行平臺(tái)驗(yàn)證奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖7 同向振蕩二次流氣動(dòng)矢量微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)及初步試驗(yàn)結(jié)果

幾種康達(dá)附壁技術(shù)方案對(duì)比

本文初步介紹并總結(jié)了同向流矢量控制、法向流矢量控制、無(wú)源氣動(dòng)矢量控制和基于振蕩射流的同向流矢量控制四種典型的康達(dá)附壁氣動(dòng)矢量控制技術(shù)，這些技術(shù)的總結(jié)見(jiàn)表1。

表1 4種康達(dá)附壁氣動(dòng)矢量控制技術(shù)的總結(jié)

在控制效率方面，“惡魔”無(wú)人機(jī)采用的是同向流矢量控制方法，在負(fù)增益區(qū)內(nèi)，用較小的氣源消耗實(shí)現(xiàn)了大長(zhǎng)寬比、Ma0.8高速主流的矢量控制，偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到10°，但在正增益區(qū)內(nèi)，矢量控制效率有所降低?！皫r漿”無(wú)人機(jī)采用的法向流控制方法，所選用的噴管長(zhǎng)寬比更小，獲得的偏轉(zhuǎn)角度也更小，控制增益相比“惡魔”無(wú)人機(jī)有所降低。無(wú)源氣動(dòng)矢量控制無(wú)需額外二次流氣源消耗，控制效益較大，偏轉(zhuǎn)角可以達(dá)到12°，但是其適用的主流速度偏低，且在高空大氣環(huán)境壓力低于噴管內(nèi)壓力時(shí)無(wú)法使用。振蕩射流激勵(lì)矢量控制技術(shù)具有足夠大的控制效益，在Ma0.5的冷態(tài)主流條件下以約2%的二次流可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)18°的矢量偏轉(zhuǎn)角，在微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)主噴流Ma0.8條件下，推力矢量偏轉(zhuǎn)角可達(dá)12°，而二次流消耗僅有2.2%，激勵(lì)壓比僅為2.8。相比其他幾種技術(shù)，振蕩射流激勵(lì)矢量控制技術(shù)在控制效率上具有較大的優(yōu)勢(shì)。

在控制規(guī)律方面，“惡魔”無(wú)人機(jī)的同向流控制主流附體和流動(dòng)遲滯效應(yīng)帶來(lái)的控制非線性問(wèn)題比較嚴(yán)重；而“巖漿”無(wú)人機(jī)的法向流控制響應(yīng)曲線線性度更高，控制響應(yīng)特性更好。無(wú)源氣動(dòng)矢量控制技術(shù)也通過(guò)了外形優(yōu)化部分解決了控制非線性問(wèn)題。振蕩射流激勵(lì)的氣動(dòng)矢量技術(shù)，具有良好的控制特性，控制死區(qū)小，成功解決了控制響應(yīng)曲線的突跳和非線性問(wèn)題。相比于其他方案，基于振蕩射流的同向流矢量控制降低了氣源消耗，增大了矢量偏轉(zhuǎn)角，同時(shí)提高了控制的線性度，展現(xiàn)出了較為明顯的綜合優(yōu)勢(shì)。

結(jié)束語(yǔ)

與目前成熟的機(jī)械推力矢量控制技術(shù)相比，要想發(fā)揮氣動(dòng)推力矢量控制技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的潛在優(yōu)勢(shì)，避免其喉道面積難以大幅調(diào)節(jié)的劣勢(shì)，必須選擇合適的應(yīng)用場(chǎng)景，采用能夠滿足多維度評(píng)價(jià)指標(biāo)的技術(shù)方案，才能較快地推動(dòng)包括康達(dá)附壁氣動(dòng)矢量方案在內(nèi)的氣動(dòng)矢量控制技術(shù)的工程應(yīng)用。目前來(lái)看，面向無(wú)舵面布局超隱身無(wú)人機(jī)的應(yīng)用平臺(tái)，采用固定型面亞聲速噴管的中小推力渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，用于增強(qiáng)飛行平臺(tái)舵效實(shí)時(shí)控制能力的氣動(dòng)矢量控制技術(shù)是相對(duì)可行的工程應(yīng)用發(fā)展路線之一，康達(dá)附壁氣動(dòng)矢量控制技術(shù)有望在此發(fā)展方向率先實(shí)現(xiàn)應(yīng)用突破。