矢量推力与竹篙撑船

云脑智库 2022-11-21 00:00 1091浏览 0评论 0点赞

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歼十矢量推力技术验证机

矢量推力，就是将发动机推力的一部分用于飞机的飞行控制。2018年，在第十二届珠海航展上，人们期盼已久的歼十矢量推力技术验证机，终于出现在国人面前，大秀眼镜蛇、落叶飘、钩子转弯等非常规机动动作，展示了矢量推力技术的巨大魅力，同时也宣告了我国已经成为世界上第三个完全掌握了矢量推力技术的航空先进国家。

一、矢量推力有啥好？

如果你划过船，也撑过船，一定能够体会到，调转船头撑船要比划船直接、迅速得多。以此类比，常规飞机就类似于单桨划船，矢量推力飞机就类似于竹篙撑船。

单桨划船

单桨划船是这样的。以船头左转为例，可以在船的右侧向后划桨，从而让水的反作用力在推动船体前进的同时，对船体重心构成左转力矩，实现船头左转。飞机是这样的，也以让飞机左转为例，飞机的方向舵左偏，垂直尾翼产生向右的气动力，对飞机重心构成左转力矩，从而推动飞机左转。

竹篙撑船

竹篙撑船是这样的。仍以船头左转为例，船老大在船头右侧一点竹篙，船老大通过竹篙给岸边或水底一个作用力，岸边或水底给船老大一个反作用力，作用于船头，在力的作用下船头立刻左转。矢量推力飞机也一样，也以飞机左转为例，发动机的矢量推力喷管左偏，发动机推力向右，从而推动飞机左转。

放木排

显然，相比于船桨力的传递与转换，竹篙的控制作用要直接和迅速得多。因此，穿行于激流险滩之中的竹排、木排等都采用了竹篙，而不是船桨。同样，要使飞机做出高难度的机动动作，相比于空气动力舵面，矢量推力的作用也更直接、更迅速。

二、矢量推力怎么来？

采用矢量推力的美国F-35战斗机

对于常规飞机，发动机是用来推动飞机前进的。

而对于矢量推力飞机，则不尽然。发动机在推动飞机前进的同时，还可以部分或全部用于飞机的短距/垂直起降和飞行姿态/轨迹控制。

鹞式战斗机“拔地而起”

带有四个转向喷口的“飞马”发动机

矢量推力的早期技术，可以追溯到诞生于20世纪60年代的英国鹞式战斗机。1969年，鹞式战斗机首次公开亮相，世界为之沸腾：从此，喷气式战斗机也能够像直升机一样的垂直起降、空中悬停和前后平移了。被誉为“直升机之父”的西科斯基曾经这样赞美直升机：“如果一个人亟待救援，喷气式飞机能够做的只是飞过他的头顶，撒下花瓣，而能够垂直起降的直升机却能赶来挽救他的生命。”如今，这段话可以改写了。鹞式战斗机得益于“飞马”发动机的四个转向喷口：当喷口向后时，推动飞机正常前进；当喷口向下偏转60°时，可实现飞机的短距起飞；当喷口向下偏转90°时，可实现飞机的垂直起飞/降落；当喷口向下偏转98°时，飞机在空中可以后退，在地面可以实现反推力控制，缩短着陆滑跑距离。当然，“飞马”发动机的喷口只能在俯仰方向上分级转向，用于飞机的短距/垂直起降、空中悬停和前后平移，还称不上矢量推力。但是，这在当时已经足以让世人震惊。

美国矢量推力技术验证机F-18、X-31与F-16三机同框

将矢量推力技术推向成熟的是美国始于20世纪70年代的矢量推力技术地面试验和空中飞行验证。主要项目有F-15短距起降/机动性技术验证（STOL/MTD）、F-16多轴推力矢量研究（MATV）、F-18大迎角气动特性研究（HARV），以及美德合作进行的X-31增强战斗机机动性研究（EFM）等。通过这些研究，让人们充分相信矢量推力技术在增强战斗机综合作战效能上大有可为，突出表现在三个方面：

钩子转弯机动动作

一是矢量推力技术拓展了飞机的机动范围，实现了过失速机动。常规飞机靠机翼产生升力维持飞机的机动飞行，为保持飞机可控，要求飞行迎角不能太大，飞行速度不能太小，通常飞机的失速迎角不大于20°，最小平飞速度不小于200千米/时。采用矢量推力，在70°迎角、零飞行速度时，依然可以保持飞机稳定可控，打破了常规飞机的飞行禁区，极大地拓展了飞机的机动范围，并产生了以钩子转弯等为代表的一系列著名的过失速机动动作。

二是矢量推力技术显著地提高了飞机的起降性能和机动性能。如下表所示，与F-15C常规战斗机相比，F-15STOL/MTD验证机的起降性能和机动性能明显提升。

最大升力系数值	+78%
空中减速性	+72%
着陆滑跑距离	-72%
横滚率	+53%
爬升率	+37%
起飞滑跑距离	-29%
加速性	+30%
巡航距离	+13%

三是矢量推力技术有效提高了飞机的综合作战效能，成为第五代战斗机的标配技术。空战，历来强调机动占位与摆脱，先后依赖于战斗机的速度、高度和机动性。随着空空导弹发射条件的不断放宽，未来空战不再强调机动占位，转而追求以矢量推力为基础的战斗机过失速机动能力和机头指向能力。法国航空航天研究院的一对一近距空战数值仿真结果表明，仅具有俯仰推力矢量的战斗机对常规战斗机的空战交换比在中空中速为1:3.55，在低空低速为1:8.10；而具有俯仰/偏航推力矢量能力的X-31与常规F/A-18的一对一空战交换比提升到1:9.61至1:32，如果没有推力矢量能力，则空战交换比降为2.4:1 ，可见矢量推力的效果之显著。也正因此，目前已经列装的第五代战斗机，包括美国的F-22、F-35，中国的歼-20，俄罗斯的苏-57等无一例外的都采用了矢量推力技术。

三、矢量推力为啥难？

矢量推力的技术实现，涉及到飞机、发动机以及将二者融为一体的一系列复杂的技术问题。从1970年代提出矢量推力概念，到1990年代成功地运用于F-22战斗机，历时20多年，可见其技术之复杂。作为一般了解，可以重点把握三个关键：

一是过失速条件下的飞机设计问题。矢量推力技术的运用，突破了常规飞机的飞行极限，进入了以低速、大迎角为主要特征的更为广阔的全新领域，由此带来了飞机设计中的一系列新问题。主要涉及低速、大迎角条件的全机气动特性问题，发动机矢量喷流与飞机扰流相互干扰问题，推力矢量飞机总体布局问题等。

二是矢量推力喷管与发动机匹配工作问题。矢量推力技术，首当其冲的就是矢量推力喷管，要实现喷管转向，必然面临喷管灵活运动与封严、冷却之间的矛盾，以及由此衍生的结构设计、结构重量等问题。喷管转向，还会引起发动机内部流动情况的严重变化，从而影响发动机的稳定工作，因此，在喷管转向过程中如何保持发动机的稳定工作也是必须解决的问题。

三是飞机/发动机一体化控制问题。矢量推力的技术实现过程可以很复杂，但飞机的操纵必须简单便捷，最好与常规飞机的操纵习惯没有本质区别，这就涉及到了大量的飞机/发动机的一体化控制问题。比如，推力矢量操纵与空气动力舵面的匹配性问题，二者之间的关系不是线性的，在小迎角、大速度条件下，空气动力舵面的操纵效能高，反之，在大迎角、小速度条件下，空气动力舵面的操纵效能低，这就需要矢量控制区别情况、分别对待。其实，这就是矢量推力的控制律问题，与之相关的还有飞机/发动机一体化控制系统的设计、制造等问题。

总之，矢量推力技术的出现与运用，极大地提高了战斗机的综合作战效能，其技术本身是极其复杂的，但是，所有这些都不应当成为加大飞行员操纵使用负担的理由，在这背后，所依赖的就是广大技术人员的创造性劳动和辛勤付出。矢量推力技术已经在第四代战斗机上获得了成功运用，并且成为第五代战斗机的标准技术。可以相信，未来矢量推力技术必将放射出更加夺目的光彩。

【作者简介】李清，退役空军大校，航空工业集团公司特级技术专家，航空工业发展研究中心研究员，从事航空产品发展战略与装备体系研究。

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