軍事電子(4)

作者：撒旦　

　　推力矢量技術(shù)（Thrust Vectoring Technology簡稱TVT）是當(dāng)代最新的航空高科技之一。由于該項技術(shù)可以加強(qiáng)飛機(jī)的氣動/推進(jìn)系統(tǒng)一體化設(shè)計，改善飛機(jī)的操縱效率和控制能力，顯著提高其機(jī)動性，因而它將成為21世紀(jì)戰(zhàn)斗機(jī)必須具備的一項標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

　　推力矢量技術(shù)又稱推力矢量控制，其特點是：動力裝置除為飛行器提供前進(jìn)的推力外，還可以通過改變發(fā)動機(jī)推力方向和大小，獲得所需的控制力矩，使飛行器做預(yù)期的俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)和減速運(yùn)動。在某些狀態(tài)下，其對飛行器的控制效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于依靠外部氣動來進(jìn)行操縱的活動舵面。

　　TVT是一項與自動控制系統(tǒng)、氣動/推進(jìn)系統(tǒng)、新型材料等有關(guān)綜合性技術(shù)，它主要通過偏轉(zhuǎn)推力矢量噴管來實現(xiàn)對飛行器的控制。推力矢量噴管目前主要有二元（矩形）和軸對稱（圓形）兩種。其基本原理是通過改變噴管的方向，使發(fā)動機(jī)推力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生矢量力和力矩，來滿足改變飛行器氣動特性和飛行姿態(tài)的要求。

　　推力矢量技術(shù)對未來戰(zhàn)斗機(jī)在過失速機(jī)動性、常規(guī)機(jī)動性、敏捷性、隱身性能和短距起降性能等方面有著顯著的影響。

一、實現(xiàn)過失速機(jī)動

　　近年來，為提高戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動性，國外廣泛開展了對過失速機(jī)動的研究，以期擴(kuò)大飛行包線的左右界，為飛行員快速調(diào)轉(zhuǎn)機(jī)頭和發(fā)射導(dǎo)彈創(chuàng)造條件。目前，大多數(shù)第三代戰(zhàn)斗機(jī)在超過失速迎角狀態(tài)下都無法實施機(jī)動。因為飛機(jī)在過失速范圍內(nèi)，其操縱面基本失效，飛機(jī)的氣動力處于非線性狀態(tài)。例如，F(xiàn)—16戰(zhàn)斗機(jī)的限制迎角為24度左右，諾迎角達(dá)到60度，就會陷入深度失速區(qū)，飛機(jī)將無法改出。然而，未來戰(zhàn)斗機(jī)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)又要求能擴(kuò)大使用迎角范圍，甚至達(dá)到90度或更高，只有在過失速迎角范圍內(nèi)仍然迅速指向敵機(jī)并射擊，才能保證戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)揮其最高格斗能力。因此，當(dāng)今各大航空大國都在積極研究適應(yīng)戰(zhàn)斗機(jī)過失速機(jī)動的相應(yīng)措施。推力矢量技術(shù)將先進(jìn)的起動力、飛行控制以及發(fā)動機(jī)推力技術(shù)等融為一體，采取飛機(jī)/發(fā)動機(jī)/飛控系統(tǒng)/火控系統(tǒng)一體化設(shè)計，從而使戰(zhàn)斗機(jī)的過失速機(jī)動成為現(xiàn)實。

　　美國的F—22先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)采用新研制的二元噴口，可進(jìn)行兩個方向的推力矢量變化，從而極大地提高飛機(jī)的過失速機(jī)動能力。F—22Z在迎角40度時可繞速度矢量軸做360度滾轉(zhuǎn)；在飛行速度及?。?10千米/小時）的情況下，以60度迎角仍可以在1秒內(nèi)滾轉(zhuǎn)30度，而無任何控制上的問題，表現(xiàn)了前所未有的過失速機(jī)動能力。而美德聯(lián)合研制的X—31高機(jī)動性驗證機(jī)以及俄羅斯蘇—37戰(zhàn)斗機(jī)在航展上表演的過失速機(jī)動動作，至今仍令人回味無窮。

二、提高常規(guī)機(jī)動性

　　飛機(jī)的機(jī)動性通常是指在舵面偏轉(zhuǎn)、油門變化時所產(chǎn)生的力和力矩作用下，在空間占據(jù)所需位置以及改變速度大小和飛行方向的能力。德國梅賽事施密特-伯爾克-布洛姆公司曾制定出對新一代戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)動性的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)。其中，特別強(qiáng)調(diào)飛機(jī)在高亞音速和超音速飛行中能迅速改變方向，以提高空戰(zhàn)時先發(fā)制人的能力。實驗飛機(jī)的試飛表明：在M數(shù)為0.8的條件下，只要戰(zhàn)斗機(jī)的轉(zhuǎn)彎角速度占有3度/秒的優(yōu)勢，就可以在近距空戰(zhàn)穩(wěn)操勝券。目前，第三代戰(zhàn)斗機(jī)的最大瞬間盤旋角速度大約在20~26度/秒。除非改變飛機(jī)的構(gòu)型，使空氣動力性能得根本性改善，否則它們的瞬時盤旋角速度值不可能進(jìn)一步提高。

　　在這種情況下，采用推力矢量技術(shù)不失為一種解決問題的非傳統(tǒng)辦法。這是因為配備有推力矢量裝置的戰(zhàn)斗機(jī)，在飛行過程中偏轉(zhuǎn)矢量噴管后，可使飛機(jī)獲得額外的起動力和力矩，令飛機(jī)的機(jī)動性大為改觀，在近距空戰(zhàn)占有優(yōu)勢。

　　例如，采用二元推力矢量噴管的F—15S/MTD（短距起降/機(jī)動技術(shù)驗證機(jī)），在噴管向下偏轉(zhuǎn)時，由于產(chǎn)生了較大的推力升力，并在機(jī)身上誘導(dǎo)出“超環(huán)流”，因而，其最大升力系數(shù)（Cymax）要比F—15C提高78%；在M數(shù)1.4，高度12200米時，依靠推力矢量噴管可使其滾轉(zhuǎn)速率提高53%；M數(shù)0.3，高度6100米時，其爬升率可提高37%；在M數(shù)1.4，高度12200米時，其加速性可提高30%巡航距離增加17%。當(dāng)二元噴口大開反推力裝置，飛機(jī)的減速率可改善72%。從上述對比中不難看出：采用推力矢量技術(shù)對飛機(jī)機(jī)動性的影響是十分顯著的。

三、增強(qiáng)敏捷性

　　敏捷性是衡量第四代戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)水平的一項重要參數(shù)。國外進(jìn)行的一系列空戰(zhàn)模擬實驗表明：改善現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)的瞬態(tài)敏捷性，可使飛機(jī)在整個包線內(nèi)提高俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航速率，相當(dāng)于將戰(zhàn)斗機(jī)的推力增加30%或翼載減小23%。由此而獲得綜合作戰(zhàn)效能，要比具有同樣技術(shù)水平，但敏捷性能較低的戰(zhàn)斗機(jī)高的多，其空戰(zhàn)兌換率可提高50%以上。在防御性空戰(zhàn)中，高敏捷性加上機(jī)載全方位導(dǎo)彈告警系統(tǒng)合誘餌裝置，可使戰(zhàn)斗機(jī)迅速擺脫敵方的攻擊并取得空戰(zhàn)主動權(quán)。另外，高敏捷性也是對付地面防空武器的有效手段之一，有助于提高飛機(jī)的低空生存力。
所謂敏捷性，是指飛機(jī)迅速改變其速度矢量（或機(jī)身矢量）運(yùn)動方向的能力。駕駛員手腕一動，飛機(jī)就立即繞機(jī)體軸旋轉(zhuǎn)，做出相應(yīng)的動作，達(dá)到所需的狀態(tài)，這在近距空戰(zhàn)中爭取主動非常重要。

　　F—22是第四代戰(zhàn)斗機(jī)典型的代表，其高敏捷性主要是利用推力矢量技術(shù)獲得的。該機(jī)的俯仰控制可由推力矢量噴管和平尾合作完成，飛行控制系統(tǒng)不存在迎角限制，能在所有迎角范圍內(nèi)對俯仰方向進(jìn)行精確控制。據(jù)稱，F(xiàn)—22的俯仰速率可高達(dá)60度/秒。在迎角大于30度時利用推力矢量系統(tǒng)和差動平尾進(jìn)行偏航控制，可達(dá)到更大的滾轉(zhuǎn)速率。在20度迎角下，其滾轉(zhuǎn)速率從50度/秒增至100度/秒。在超音速狀態(tài)下，二元推力矢量噴管和平尾交聯(lián)，共同進(jìn)行操縱，可使飛機(jī)在M＞1.4時的盤旋角速度提高30%。

　　F—22具有的敏捷性品質(zhì)，被美國的試飛員精辟地總結(jié)為：“它總是做我想要它做的事，從不做我不想讓它做的任何事情。”

四、改善隱身性能

　　隱身性能不僅有利于提高飛機(jī)的生存力，也有利于達(dá)成攻擊的突然性。對新一代戰(zhàn)斗機(jī)來說，具備“先敵發(fā)現(xiàn)、先敵攻擊”的超視距作戰(zhàn)能力是極為重要的。采用二元推力矢量噴管可以顯著提高飛機(jī)的雷達(dá)和紅外隱身能力。

　　在飛機(jī)的隱身性能中，最重要的是雷達(dá)和紅外隱身，大長寬比的矩形二元噴管容易實現(xiàn)雨后機(jī)身的融合，這除了有利于降低飛機(jī)尾部底阻外，還有助于減小側(cè)向和后向的雷達(dá)反射截面積。就改善紅外隱身特性而言，采用二元噴管也較為有利。與基準(zhǔn)軸對稱的圓形噴管相比，二元噴管排出的燃?xì)鈿饬鞲着c外界空氣摻混，其尾噴流的降溫速度要較圓形噴口快的多。如果采用一些特殊的設(shè)計，其紅外隱身的效果會更好。有的二元矢量噴管在其上下表面裝有可轉(zhuǎn)動的葉柵和噴管控制板。在進(jìn)行推力換向時，用控制板關(guān)閉主噴口，并轉(zhuǎn)動葉柵極可達(dá)到目的。這時，由于住噴管被關(guān)閉，阻擋了渦輪和尾噴管的熱輻射，紅外信號大大減少。還有一種研究中的帶有可調(diào)式的雙喉道二元噴管，紅外隱身性能更佳。實驗結(jié)果表明，由于中心的契體將發(fā)動機(jī)大部分的紅外輻射都擋住了，在飛機(jī)后半球范圍內(nèi)，它可將飛機(jī)的紅外信息特征減少90%。折合成跟蹤距離，則可減少45%。

　　美國的F—22飛機(jī)之所以具有良好的雷達(dá)和紅外隱身性能，這與其發(fā)動機(jī)上裝有二元矢量噴管是分不開的。

五、縮短起降距離

　　良好的短距起降性能可降低飛機(jī)對機(jī)場的依賴程度，提高戰(zhàn)斗機(jī)的地面生存力、機(jī)動作戰(zhàn)能力和快速反應(yīng)能力。所以?？s短戰(zhàn)斗機(jī)的起降滑跑距離，一直是飛機(jī)設(shè)計師孜孜追求的目標(biāo)。在第四代戰(zhàn)斗機(jī)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)中，短距起降性能是一條重要的要求，而利用推力矢量技術(shù)，可以明顯地改善戰(zhàn)斗機(jī)精確著陸的能力，并大大縮短其起飛和降落時的滑跑距離。

　　在這方面最為典型的事例，是美國人研制的F—15S/MTD驗證機(jī)。該機(jī)經(jīng)過改裝，用具有推力矢量功能的二元噴管取代了普通的圓形噴管，并在進(jìn)氣道的兩側(cè)，加裝了一對全動前翼。其飛行操縱和發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)也進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和更新。該機(jī)在起飛滑跑時依靠推力轉(zhuǎn)向裝置的幫助，能使配平勝利增大，機(jī)頭迅速抬起，只滑行231米即可離地。與常規(guī)性的F—15A和F—15C戰(zhàn)斗機(jī)相比，它的起飛滑跑距離可減少29~60%。F—15S/MTD驗證機(jī)在著陸時，利用先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)、電傳操縱系統(tǒng)和推力轉(zhuǎn)向/反推力裝置，可以實現(xiàn)500米以下的小場地內(nèi)精確著陸。

六、推力矢量噴管存在的問題

　　裝有推力矢量噴管的戰(zhàn)斗機(jī)也存在一些問題，例如，這類噴管結(jié)構(gòu)和控制比較復(fù)雜，重量比較大，造價相當(dāng)高；需要采用專門的控制系統(tǒng)，通過全權(quán)限、多余度、數(shù)字式電傳操縱方式來協(xié)調(diào)氣動舵面、推力矢量噴管的偏轉(zhuǎn)和發(fā)動機(jī)的工作；需要有專門的飛行顯示裝置；矩形的二元噴管的內(nèi)流阻力比較大，發(fā)動機(jī)的推力會有一定的損失；一些活動部件要在高溫、高壓的惡劣環(huán)境下工作，需要采用特殊的材料并配備散熱系統(tǒng)，即使這樣，其使用壽命也比較低；推力矢量系統(tǒng)必須高效、高可靠，因為一旦發(fā)生故障，飛機(jī)將難以控制，而長時間的可靠性又很難做到。為安全起見，必須為裝有推力矢量技術(shù)系統(tǒng)的飛機(jī)，配備永久性的防螺旋裝置。
目前，除美國、俄羅斯外，英國、法國、德國和以色列等國家都加強(qiáng)這方面的研究，以期發(fā)揚(yáng)其長處，克服其不足，使這項技術(shù)趨于成熟，盡早應(yīng)用于新一代戰(zhàn)斗機(jī)上。美國的F—22、俄羅斯的蘇—37已經(jīng)成功地配置了推力矢量噴管。開發(fā)中的美國的F—35、俄羅斯的蘇—47等新型戰(zhàn)斗機(jī)也將采用這項技術(shù)。

　　從發(fā)展趨勢來看，推力矢量控制技術(shù)在未來戰(zhàn)斗機(jī)上應(yīng)用將從目前具有部分矢量功能向著完全矢量化飛機(jī)（Pure Vectored Aircraft簡稱PVA）的方向發(fā)展。但需要在氣動、材料、結(jié)構(gòu)以及控制等方面進(jìn)行綜合研究，開發(fā)出先進(jìn)的飛機(jī)/發(fā)動機(jī)/矢量噴管一體化控制系統(tǒng)。
可以預(yù)言：21世紀(jì)的戰(zhàn)斗機(jī)由于采用推力矢量技術(shù)，將會使空戰(zhàn)形式變得更加復(fù)雜，空中格斗變得更加激烈和精彩紛呈。