矢量推進器

矢量推進器

矢量推進器,廣義上可以指所有採用推力矢量技術的推進器,狹義上一般指飛行器上採用推力矢量技術的推進器。

定義


廣義上可以指所有採用推力矢量技術的推進器,狹義上一般指飛行器上採用推力矢量技術的推進器。

什麼是推力矢量技術


SU37尾部
SU37尾部
簡而言之,推力矢量技術就是通過偏轉發動機噴流的方向,從而獲得額外操縱力矩的技術。我們知道,作用在飛機上的推力是一個有大小、有方向的量,這種量被稱為矢量。然而,一般的飛機上,推力都順飛機軸線朝前,方向並不能改變,所以我們為了強調這一技術中推力方向可變的特點,就將它稱為推力矢量技術。
不採用推力矢量技術的飛機,發動機的噴流都是與飛機的軸線重合的,產生的推力也沿軸線向前,這種情況下發動機的推力只是用於克服飛機所受到的阻力,提供飛機加速的動力。
採用推力矢量技術的飛機,則是通過噴管偏轉,利用發動機產生的推力,獲得多餘的控制力矩,實現飛機的姿態控制。其突出特點是控制力矩與發動機緊密相關,而不受飛機本身姿態的影響。因此,可以保證在飛機作低速、大攻角機動飛行而操縱舵面幾近失效時利用推力矢量提供的額外操縱力矩來控制飛機機動。第四代戰鬥機要求飛機要具有過失速機動能力,即大迎角下的機動能力。推力矢量技術恰恰能提供這一能力,是實現第四代戰鬥機戰術、技術要求的必然選擇。
我們可以通過圖解來了解推力矢量技術的原理。
普通飛機的飛行迎角是比較小的,在這種狀態下飛機的機翼和尾翼都能夠產生足夠的升力,保證飛機的正常飛行。當飛機攻角逐漸增大,飛機的尾翼將陷入機翼的低能尾流中,造成尾翼失速,飛機進入尾旋而導致墜毀。這個時候,縱然發動機工作正常,也無法使飛機保持平衡停留在空中。
然而當飛機採用了推力矢量之後,發動機噴管上下偏轉,產生的推力不再通過飛機的重心,產生了繞飛機重心的俯仰力距,這時推力就發揮了和飛機操縱面一樣的作用。由於推力的產生只與發動機有關係,這樣就算飛機的迎角超過了失速迎角,推力仍然能夠提供力矩使飛機配平,只要機翼還能產生足夠大的升力,飛機就能繼續在空中飛行了。而且,通過實驗還發現推力偏轉之後,不僅推力能產生直接的投影升力,還能通過超環量效應令機翼產生誘導升力,使總的升力提高。
裝備了推力矢量技術的戰鬥機由於具有了過失速機動能力,擁有極大的空中優勢,美國用裝備了推力矢量技術的X-31驗證機與F-18做過模擬空戰,結果X-31以1:32的戰績遙遙領先於F-18。
使用推力矢量技術的飛機不僅其機動性大大提高,而且還具有前所未有的短距起落能力,這是因為使用推力矢量技術的飛機的超環量升力和推力在升力方向的分量都有利於減小飛機的離地和接地速度,縮短飛機的滑跑距離。另外,由於推力矢量噴管很容易實現推力反向,飛機在降落之後的制動力也大幅提高,因此著陸滑跑距離更加縮短了。
如果發動機的噴管不僅可以上下偏轉,還能夠左右偏轉,那麼推力不僅能夠提供飛機的俯仰力矩,還能夠提供偏航力矩,這就是全矢量飛機。
推力矢量技術的運用提高了飛機的控制效率,使飛機的氣動控制面,例如垂尾和立尾可以大大縮小,從而飛機的重量可以減輕。另外,垂尾和立尾形成的角反射器也因此縮小,飛機的隱身性能也得到了改善。
推力矢量技術是一項綜合性很強的技術,它包括推力轉向噴管技術和飛機機體/推進/控制系統一體化技術。推力矢量技術的開發和研究需要尖端的航空科技,反映了一個國家的綜合國力,目前世界上只有美國和俄羅斯掌握了這一技術,F-22和Su-37就是兩國裝備了這一先進技術的各自代表機種。
我國現在也展開了對推力矢量技術的預先研究,並取得了一定的成果,相信在不遠的將來,我們的飛機也能夠裝備上這一先進技術翱翔藍天,增強我國的國防實力。

發展矢量技術的原因


第1個是敏捷性,提高飛機的格鬥能力,這個大部分網友都知道。。但是敏捷性也要包括短距離起降概念,這個很多人不知道了。矢量技術早期研究后今後的一個發展目的,就是短距離起降。其實英國的海鷂的飛馬發動機就是一種原始的噴流矢量技術;
第2個是減重和增推,這個大部分人不理解。。發動機功率大,對飛機飛行有好處,但是同時發動機會更沉,而飛機的控制系統和控制氣動力平面會更大更多,導致飛機更重,,,用了矢量,能減輕這個結構重量,能用相對小推力的發動機解決更大的問題,,,這個概念和導彈的燃氣舵相通
第3個是隱身!美國人搞F22時認為,結構隱身重要,外形隱身也很重要,而減少外形中飛控氣動力平面的數量和面積是最佳捷徑,而在發動機噴口上裝矢量,則可以有效減少飛控面的數量,對隱身起到好處,所以F22和yF23都有這個,沒有,不能參與競爭。。。。。。
再說,目前4種矢量在渦扇航空發動機上應用著
第一個是,擾流矢量舵片技術,美國,歐洲,俄羅斯,日本都有型號,原理和燃氣舵相類,不過這個舵片是不可焚化的;這個最簡單,對發動機要求也低,對輕型飛機的機動性能提高的多,起點低;典型的就是美國人和德國人80年代搞的那個號稱超越了“眼鏡蛇機動”,輕易在格鬥中擊落美國海空軍所有現役飛機的那個驗證機,
第二個是,二元矢量噴口,這個力只能垂直在飛機的飛行線路上,無論怎麼飛,這個力只能是垂直作用的,比如樓主貼的那個圖,雖然是4片,美國人的,但是左右兩側是死的,能動的就是上下,飛機平飛,則力可以上下作用,飛機側飛時,才能所謂的“左右擺動”,
第三個是,多元矢量噴口,也是軸對稱技術,,,,二元矢量比擾流矢量舵片要先進,但是還是在垂直擺動的水平,對飛行器的調控性能有限,,所以從敏捷格鬥導彈上開始出現了所謂“360度”噴口的研究‘這個開始主要為垂直發射的防空導彈,快速變向,更好的降低因為爬升而損失的時間及燃料,從而降低導彈的重量並增加攔截效率’,後來因為結構重量等問題,反而在飛機這類大型飛行器上得到了應用,最典型的就是蘇聯的,對吧,這個都知道了,
第四個是,噴流技術,這個是研究的大方向,現在發動機都是從飛機屁股往後面噴氣,今後可能是從飛機的後半球N個小噴氣孔協調的盆子,極大的減少了飛機的飛行氣動力控制平面的數量,很好的促進了翼身融合;目前在無人機上已經得到了很好的驗證;
今後再發展,就是發動機內矢量等領域,比如裝反推,,目前的反推,都是裝置噴口外,用於短距離降落的,今後可能會用於飛行中的控制,比如發動機內氣流調節,,這個目前的調節,大部分都是進氣口用唇瓣或者dsi等調節,出氣調節多因為降溫等(如等離子技術用於渦扇發達的調節),今後,很有可能會在渦扇發動機裡面就應用矢量導引舵片或管道,對氣流噴射直接進行控制,從而促進飛行器的飛控;

代表機型


俄羅斯 蘇-37
美國 F-22、X-49A“速度鷹”
F22尾部的二維矢量推進器
F22尾部的二維矢量推進器

動漫中出現的機型


最為著名的是《戰鬥妖精雪風》中出場的“503雪風”
雪風
雪風