關(guān)于推力矢量控制技術(shù)的探討

■ 賈東兵/中國航發(fā)動力所

戰(zhàn)斗機推力矢量技術(shù)的提出始于20世紀70年代中期，很快得到業(yè)界的高度關(guān)注并被定義為第四代戰(zhàn)斗機必備的四項關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，近半個世紀過去了，切實應(yīng)用了推力矢量技術(shù)并裝備使用的只有美國的F-22戰(zhàn)斗機。為什么這項備受重視的技術(shù)沒有得到廣泛的應(yīng)用呢？

推力矢量控制(TVC)是一種依靠噴管直接變換推力方向以提供更強的控制力矩的技術(shù)，可極大地增強戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)效能和機動性。簡言之，推力矢量技術(shù)就是用直接改變推力方向的辦法獲得驅(qū)使飛機轉(zhuǎn)向的側(cè)向力。推力矢量技術(shù)的出現(xiàn)使噴氣式飛機——主要是戰(zhàn)斗機，具有了前所未有的機動性，或者說更高的敏捷性，而且還獲得了能夠以更短的滑跑距離起飛的短距起飛能力，更進一步還可以減小甚至取消飛機氣動舵，從而降低飛機氣動阻力，減輕飛機質(zhì)量。因此，推力矢量技術(shù)毫無疑問是一種先進的噴氣戰(zhàn)斗機控制技術(shù)。

推力矢量技術(shù)的必要性

對于現(xiàn)代戰(zhàn)斗機是否需要應(yīng)用推力矢量技術(shù)，一直是一個有爭議的話題?；谇笆瞿切┟黠@可知的優(yōu)點，極力贊成的自不必贅述，反對推力矢量技術(shù)應(yīng)用的主要理由不外乎以下幾個觀點。

一是現(xiàn)代戰(zhàn)斗機作戰(zhàn)的主要手段是用射程至少以千米計的導(dǎo)彈進行遠距離攻擊，雙方攻防甚至在超視距狀態(tài)就已經(jīng)完成，進入格斗的可能性極小，機動性、敏捷性對現(xiàn)代戰(zhàn)斗機來講意義不大。

二是現(xiàn)有實施推力矢量技術(shù)的矢量噴管技術(shù)難度很高，與已經(jīng)成熟應(yīng)用的傳統(tǒng)噴管相比，還帶來了質(zhì)量增加、效率降低、可靠性降低和壽命縮短等問題，應(yīng)用該項技術(shù)的綜合效益低，得不償失。

三是過于敏捷的戰(zhàn)斗機，使飛行員的操縱難度明顯增加。激烈的機動過載很有可能超過人的抗過載能力，最終大大增加飛行中操縱失誤的概率，降低作戰(zhàn)效能。

形形色色的矢量尾噴管

這些顧慮都是有一定道理的，但卻未免有所偏頗。

現(xiàn)代戰(zhàn)斗機的主戰(zhàn)武器雖然是導(dǎo)彈，但幾乎都同時配置航炮，就是為了在導(dǎo)彈對攻無效時可以進入格斗。對于現(xiàn)代強調(diào)隱身能力并配備多種導(dǎo)彈干擾手段的現(xiàn)代戰(zhàn)斗機來講，在技術(shù)水平相當(dāng)、數(shù)量相當(dāng)?shù)牡谝徊▽?dǎo)彈對攻中生存下來的概率并不會很低，以現(xiàn)代戰(zhàn)斗機的速度，躲過第一波導(dǎo)彈，基本上就進入了格斗距離，那么格斗將不可避免。

二是矢量噴管技術(shù)難度很高，與已經(jīng)成熟應(yīng)用的傳統(tǒng)噴管相比，還帶來了可觀的增重、明顯的效率降低、可靠性降低和壽命縮短等問題，這確實是客觀存在的。其中，因功能增加所帶來的質(zhì)量增加和效率降低是科學(xué)的必然，可以靠采用先進的輕質(zhì)材料、更先進的結(jié)構(gòu)設(shè)計、流路造型優(yōu)化等方法使其降低到可以接受的程度；至于技術(shù)難度以及可靠性壽命問題反倒是不存在的問題。什么是技術(shù)？技術(shù)的原始概念就是熟練，技術(shù)難度高其實就是不熟練，經(jīng)過有限的“設(shè)計—驗證—完善—再驗證”的循環(huán)，技術(shù)成熟度必然步步提升，最終成為成熟技術(shù)，然后所謂技術(shù)難度高以及相應(yīng)帶來的可靠性低、壽命短的問題自然會得到解決。

操縱難的問題則更好解決?，F(xiàn)代的機載控制器的計算能力日益強大，能夠?qū)崿F(xiàn)非常好的主動控制，輔助飛行員進行更好地操縱并保證飛行過載在安全范圍內(nèi)，良好的飛行控制邏輯可以將飛行員的機動意圖以更優(yōu)化的方式分配給舵面和矢量噴管，使飛行員更加自如地飛行。

此外，無人作戰(zhàn)飛機已經(jīng)逐步進入未來主戰(zhàn)飛機的序列，配備推力矢量技術(shù)的無人作戰(zhàn)飛機擺脫了飛行員生理局限，將有更多的戰(zhàn)術(shù)動作出現(xiàn)，大大增強戰(zhàn)斗效率和作戰(zhàn)效能。

總之，為現(xiàn)代戰(zhàn)斗機配備推力矢量技術(shù)的必要性是毋庸置疑的。

推力矢量控制的關(guān)鍵技術(shù)

矢量噴管是推力矢量控制技術(shù)的執(zhí)行裝置，是技術(shù)難度最大的關(guān)鍵技術(shù)之一。

矢量噴管的技術(shù)難度不僅在于其運動機構(gòu)需要精細巧妙的設(shè)計（以在有限的外廓和內(nèi)部氣流通道限制下實現(xiàn)通道尺寸調(diào)節(jié)和方向變換這樣的復(fù)雜功能），還在于這樣復(fù)雜的運動機構(gòu)要在噴氣發(fā)動機排出的高溫燃氣流的沖刷下可靠工作。噴氣發(fā)動機不僅排氣溫度高，高工作狀態(tài)下的振動也是極大的。強大的振動導(dǎo)致高強度的動載荷，對機械產(chǎn)生破壞作用，嚴重影響機械的壽命和穩(wěn)定工作的能力，而運動機構(gòu)的運動副對振動尤其敏感?？上攵?，在不可避免的高溫和振動環(huán)境下工作的矢量噴管的設(shè)計是對設(shè)計人員的極大挑戰(zhàn)。

矢量噴管的技術(shù)方案

矢量噴管的技術(shù)方案有很多種都經(jīng)過發(fā)動機臺架上的整機試車驗證和科研性質(zhì)的飛行演示驗證試飛，但確實在裝備上應(yīng)用形成戰(zhàn)斗力的，目前僅有美國第四代（美國稱五代）戰(zhàn)斗機F-22的F119發(fā)動機的二維矢量噴管。此外，除了俄羅斯配裝軸對稱矢量噴管的蘇式系列戰(zhàn)斗機少量出售給印度（據(jù)說壽命很短，性能不可靠），其余的技術(shù)方案基本上沒有裝備服役。此外，至少還有3～5種特點各異的新型矢量噴管在探索研究中。這些不同類型的矢量噴管有截面是圓的（軸對稱型）、有截面是方的（二維型）、有擴張段偏轉(zhuǎn)的、有整個噴管偏轉(zhuǎn)的等，到底哪一種是最好的？其實很難給出一個唯一確定的答案。

矢量噴管的主要技術(shù)指標

矢量噴管的標志性參數(shù)是最大偏轉(zhuǎn)角度，這個角度大體在14°～20°，最大的為23.5°，這個設(shè)計參數(shù)到底應(yīng)該是多少，也一直存有爭議。

假設(shè)實施推力矢量時，發(fā)動機狀態(tài)不變（這是基本能夠得到保證的），矢量噴管的推進效率也不變（實際上會有1%～2%的損失），理論上推力方向變化后的分力是：

前向推力=發(fā)動機推力×cos（偏轉(zhuǎn)角度）；

側(cè)向力=發(fā)動機推力×sin（偏轉(zhuǎn)角度）。

按照這個公式，矢量偏轉(zhuǎn)角度和前向推力損失之間的關(guān)系可見表1。

由表1可知，偏轉(zhuǎn)角度為20°時會產(chǎn)生6%的前向推力損失，已經(jīng)需要審慎考慮得失了，25°損失接近10%，基本上是不可接受的。除此之外，角度增大，則載荷增大，就意味著需要增加結(jié)構(gòu)承載面積，增重不可避免。所有這些不利因素均須飛機和發(fā)動機總體進行綜合平衡，無論如何，單純地提出較大的偏轉(zhuǎn)角度要求是不合適的。

表1 矢量偏角與前向推力損失的關(guān)系

矢量噴管技術(shù)方案的分析比較

在常見的幾種矢量噴管技術(shù)方案中，美式的二維矢量噴管的運動機構(gòu)本質(zhì)上是平面運動機構(gòu)，可動構(gòu)件數(shù)量很少，運動機構(gòu)設(shè)計難度相對簡單，因而較為可靠，冷卻系統(tǒng)、密封系統(tǒng)的構(gòu)造以及為隱身而進行的形狀修整均比較容易實施。然而，為保持方形截面在壓力作用下不發(fā)生大的變形而進行的剛度設(shè)計難度比較大，加之周長增加使結(jié)構(gòu)質(zhì)量明顯增加，形狀由圓轉(zhuǎn)方以及浸潤面積的增加使流動損失加大，整體效率是偏低的。

俄式俯仰矢量噴管是將整個噴管安裝在一個空心的球形關(guān)節(jié)上。噴管本體是與其原型噴管一樣的圓截面可調(diào)收擴噴管，通過球關(guān)節(jié)的擺動實現(xiàn)推力方向的改變。由于沒有由圓轉(zhuǎn)方產(chǎn)生的額外流動損失，故而推進效率比較高，通過球心的氣流偏轉(zhuǎn)效率幾乎達到100%；且偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不平衡力直接通過球心，對驅(qū)動不產(chǎn)生直接的載荷，總的驅(qū)動功率需求較低。但是，空心球關(guān)節(jié)的尺寸非常大，帶來了兩個明顯的缺點：一是噴管運動部分非常長，破壞了原有飛機后機身的完整性，給飛機后機身的設(shè)計帶來了額外的難度；二是空心球關(guān)節(jié)的雙層結(jié)構(gòu)增加了很多質(zhì)量，即使相對二維矢量噴管也沒有多少質(zhì)量上的優(yōu)勢。

軸對稱矢量噴管專指截面為圓形、擴張段偏轉(zhuǎn)的矢量噴管。這種矢量噴管的推進效率與標準的收擴噴管相當(dāng)，效率高，運動部分尺度小，對飛機后機身的影響幾乎可以忽略。采用這種方案可以設(shè)計出與標準收擴噴管外部輪廓相當(dāng)?shù)氖噶繃姽?，與原配噴管原位換裝，使既有機型擁有推力矢量技術(shù)，迅速提升戰(zhàn)斗力，因而曾受到業(yè)界廣泛的關(guān)注，各國相關(guān)機構(gòu)紛紛投入相當(dāng)多的力量對其進行研究。這類矢量噴管大同小異的技術(shù)方案最多，各國加起來差不多有五六種。然而，這類矢量噴管同樣有明顯的缺點，即運動部分是一套空間多自由度復(fù)式連桿機構(gòu)：運動構(gòu)件少則200～300個、多則400～500個；運動副數(shù)量在400個左右，運動關(guān)系復(fù)雜。其設(shè)計難度讓多數(shù)人望而卻步，特別是可靠性設(shè)計難度極高，實現(xiàn)較長壽命的難度極大。

球面收斂二維矢量噴管氣動性能相對較好，偏轉(zhuǎn)效率近乎100%；且偏轉(zhuǎn)力通過球心，驅(qū)動系統(tǒng)功率需求較?。挥汕蛐芜^渡到方形，長度較短，增重較少。但其球形動殼體是一種邊緣受多個集中載荷的非完整薄壁體，受力情況與結(jié)構(gòu)形狀極端不和諧，強度剛度設(shè)計難度極大，很容易抵消質(zhì)量增加較少的優(yōu)勢。

固定幾何氣動矢量噴管，顧名思義就是在結(jié)構(gòu)固定的噴管上用射流/引氣的方式對噴管的氣動流通面積和噴流方向?qū)嵤┱{(diào)控。因為沒有運動構(gòu)件，這種方案被認為可能有減少60%～70%質(zhì)量的潛力，并具有非常好的可靠性和壽命預(yù)期值。但是，很少有人提及如何對這種噴管進行控制，無論是射流還是引氣，都需要布置控制流的氣流通道，要進行有效的控制則在氣流通道里布置控制所需的控制閥，所有這些裝置都要消耗前述質(zhì)量減輕的潛力和可靠性，更不用說需要進行面積控制時所需的大量的控制流量以及非常低的推進效率。所以固定幾何氣動矢量噴管是否如想象的那樣具有如此之好的優(yōu)勢，是一個值得探討的問題。

總之，不同的矢量噴管有其不同的特點（見表2），關(guān)于哪一種矢量噴管是優(yōu)選方案的爭論會一直存在，永遠沒有唯一答案。選擇什么樣的矢量噴管實施方案更主要還是在于飛機的任務(wù)需求。

表2 幾種典型的矢量噴管特點對比

結(jié)束語

總而言之，推力矢量技術(shù)對于噴氣戰(zhàn)斗機來講是一項具有很多誘人之處的先進技術(shù)，但是否采用該項技術(shù)應(yīng)在任務(wù)需求和實施代價之間進行平衡。矢量噴管的實施方案和最大偏轉(zhuǎn)角度則應(yīng)以飛發(fā)一體化設(shè)計角度進行綜合平衡后方可選擇和確定。