推力矢量技术

折流板

70年代中期，德国MBB公司的飞机设计师沃尔夫岗·赫尔伯斯提出利用控制发动机尾喷流的方向来提高飞机的机动能力。1985年美国国防预研局和MBB公司联合进行了可行性研究，1990年3月，美国Rockwell公司、Boeing公司和德国MBB公司共同研制的在发动机尾喷口装有可改变推力方向的3块碳纤维复合材料舵面的试验验证飞机X-31出厂，并进行了试飞，其舵面可相对发动机轴线偏转±10°，在迎角为70°时仍能操作自如，并具有过失速机动能力(1,2)。

从1993年11月－1994年年底，在X-31与F-18之间进行了一系列的模拟空战，在X-31飞机不使用推力矢量技术与F/A-18飞机同向并行开始空中格斗的情况下，16次交战中F-18赢了12次；而在X-31使用推力矢量技术时66次交战X-31赢了64次[3]。此外，美国在F-14和F-18上分别安装折流板进行了试验。

一般来说，折流板方案是在飞机的机尾罩外侧加装3或4块可作向内、向外径向转动的尾板，靠尾板的转向来改变飞机尾气流的方向，实现推力矢量。这种方案的特点是发动机无需做任何改装，适于在现役飞机上进行试验。其优点是结构简单，成本较低，作为试验研究有一定价值。但有较大的死重和外廓尺寸，推力矢量工作时效率低，对飞机隐身和超音速巡航不利，所以它仅是发展推力矢量技术的一种试验验证方案。

二元矢量喷管

二元矢量喷管是飞机的尾喷管能在俯仰和偏航方向偏转，使飞机能在俯仰和偏航方向上产生垂直于飞机轴线附加力矩，因而使飞机具有推力矢量控制能力。二元矢量喷管通常是矩形的，或者是四块可以配套转动的调节板。二元矢量喷管的种类有：二元收敛－扩散喷管（2DCDN）、纯膨胀斜坡喷管（SERN）、二元楔体式喷管（2DWN）、滑动喉道式喷管（STVN）和球面收敛调节片喷管（SCFN）等。

通过研究证实，二元矢量喷管易于实现推力矢量化。在80年代末，美国两架预研战斗机YF-22/F119和YF-23/F120均采用了这种矢量喷管。

二元矢量喷管的缺点是结构比较笨重，内流特性较差。

轴对称矢量喷管

推力矢量技术的研究最初集中在二元矢量喷管，但随着研究的深入发现二元喷管优点虽多但缺点也很明显，尤其是移植到现役飞机上相当困难。因此又发展了轴对称推力矢量喷管。GE公司在20世纪80年代中期开始轴对称推力矢量喷管的研制，其研制的喷管由3个A9/转向调节作动筒、4个A8/喉道面积调节作动筒、3个调节环支承机构、喷管控制阀以及一组耐热密封片等构成。 



流场推力矢量喷管

流场推力矢量喷管完全不同于前面几种机械作动式推力矢量喷管，其主要特点在于通过在喷管扩散段引入侧向次气流（Secondary Fluid）去影响主气流的状态，以达到改变和控制主气流的面积和方向，进而获取推力矢量的目的。它的最主要优点是省却了大量的实施推力矢量用的机械运动件，简化了结构，减轻了飞机重量，降低了维护成本。

1）喷流推力矢量控制

以气流经喷管扩散段的一个或多个喷射孔射入，强迫主气流附靠到喷射孔对侧的壁面上流动，从而产生侧向力；

2）反流推力矢量控制

在喷管出口截面的外部加一个外套，形成反向流动的反流腔道，在需要主流偏转时，启动抽吸系统形成负压，使主气流偏转产生侧向力；

3）机械/流体组合式推力矢量控制

在距喉道一段距离处，装有一个或多个长度相当于喉道直径15%-35%的可转动的小型气动调节片，由伺服机构控制转动，并可在非矢量状态时缩进管壁，通过调节片的扰流使气流偏转，产生侧向力

比较

这几种推力矢量装置中，折流板方案只在X-31、F-14、F-18等飞机上做了试验验证，说明推力矢量控制飞机是有效用的，没有被后来发展的推力矢量技术方案所采用。二元矢量喷管研究最早，技术也最为成熟，已经为F-22等飞机所采用。轴对称推力矢量喷管的研究稍晚于二元矢量喷管，但发展较快，己被SU-35、SU-37所采用。比较而言，轴对称矢量喷管比二元矢量喷管功能更为优越，技术难度更大，所以现在各国的研究发展重点已经转移到了轴对称矢量喷管上。流场推力矢量喷管则因为研究较晚，仍在研究探索阶段，离实用尚有一段距离，但将是最有前途推力矢量喷管。

战斗机应用了推力矢量技术后，战术效果有很大的提高，根据美国、俄罗斯的应用经验及飞行验证，的确如此。战斗机战术效果的提高可从几方面来说明：

1) 起飞着陆机动性、安全性加大

起飞着陆机动性、安全性加大。由于在起飞着陆过程中，都能使用推力转向来增加升力，从而使滑跑距离大大缩短，若用推力反向，那么效果更为明显，因此对机场要求降低，使飞机的使用更为机动。对气候的要求也可放松，不怕不对称结冰、突风、小风暴对飞机的扰动，也减轻了起落架毁坏带来的影响，战斗力相对提高。

2) 加强了突防能力、灵活性、生存率

和攻击的突然性，这是因为减少了雷达反射面积和增加了机动性。这种突然性很为宝贵，美国空军航空系统分部司令约翰M.洛赫将军说过，在过去被击落的飞行员中有80%未见到是谁向他们开火的。生存率的提高增加了飞行员的信心，还可相应减少战斗机的配备，美国空军计划将空军战斗机缩减35%。

3) 航程有所加大

则增加了攻击或防卫的范围。使用了推力矢量技术后由于舵面积的减少可使阻力减小，燃油消耗减小，相应航程加大，另外，尾部重量的减少可导至飞机总重的较大减小，相应可增加燃油，又可加大航程。

4) 近距格斗战斗力提高

开辟了全新的空中格斗战术。主要是可控迎角扩大很多，大大超过了失速迎角，机头指向能力加强，提高了武器的使用机会。而且操纵力的增加使敏捷性增加。大的俯仰速率能够使飞机快速控制大迎角，使机头能精确停在能截获目标的位置，同时尽可能按照所希望停留时间，维持和实时调整这个迎角以便机头指向目标、锁定和开火，随后快速推杆，使飞机回复到较小的迎角（还原和复位）。常规飞机通常限制在远低于失速迎角的条件下飞行，如F-104飞机仅用了失速迎角的50%，现代战斗机大约用了失速迎角的80%，而用推力转向的X-31A飞机能达到失速迎角的2倍。此外绕俯仰轴的推力转向还能大大增加升力系数，则在支撑同样飞机重量下可使飞机速度及角点速度降低，飞行角点速度低，有利于飞机改变方向，转弯半径可大大减小，转弯速率却能加大。在两机迎面相遇状态，转弯半径小、转弯速率大的飞机就能提前瞄准对方开火，从而赢得格斗的胜利。X-31飞机转弯半径大约为143米，有效转弯速率大约每秒80.6°，因此在与F-18、F-16等飞机格斗中，明显占优势。苏-37能快速安全下俯，水平加速，还能节省发动机功率30%。它的"钟形"和"眼镜蛇"机动可射中近距的F-22和F-117。

5) 提高了空对地的攻击性能

命中率有所提高，投弹后规避动作也更敏捷。

简而言之，推力矢量技术就是通过偏转发动机喷流的方向,从而获得额外操纵力矩的技术。