美俄推力矢量技術差異談

1、美俄推力矢量技術差異談原載于兵工科技2007年第2期李振宇/文廿前，全世界僅冇美國和俄羅斯兩國掌握了最先進的推力矢量技術并將其應用于 齊口的主力戰(zhàn)斗機上，雖同為推力矢量技術，但兩國在應用方面卻有諸多的不同， 進而導致其使用效果也差異很大。應用上的不同俄羅斯俄羅斯在推力矢量發(fā)動機開發(fā)領域具有十分強大的實力，其在蘇-27和 米格-29的改進型號上大量使用推力矢量發(fā)動機，我們可以用一個簡單的加法來 表示俄羅斯推力矢量技術的應用方法：常規(guī)氣動布局+推力矢量發(fā)動機。美國美國并沒冇像俄羅斯那樣將推力矢量發(fā)動機直接裝在第三代戰(zhàn)斗機上來使 用，其具備推力矢量技術的戰(zhàn)斗機f-22和f-35,都是最新開發(fā)的第四代

2、戰(zhàn)斗機。 以f-22為例說明，其是目前服役的先進戰(zhàn)斗機中惟一一種在設計階段就將推力 矢量技術與氣動控制技術進行綜合設計的機型，這個技術特點使f22在飛行性 能方面達到了一個前所未有的高度。因此，我們不能簡單將美國推力矢量技術歸 類為常規(guī)氣動布局+推力矢量發(fā)動機，而應將其稱為氣動控制與推力矢量融合技 術，它將兩者有機地結(jié)合到廠一起，合二為一。使用效果上的不同及原因俄羅斯俄羅斯在其第三代戰(zhàn)斗機上使用推力矢量發(fā)動機后，確實可以明顯提高 戰(zhàn)斗機的機動性能，甚至可以完成很多沒有加裝推力矢量發(fā)動機的常規(guī)戰(zhàn)斗機所 無法完成的高機動飛行動作，其中很多機動動作述具冇改變現(xiàn)冇空戰(zhàn)戰(zhàn)術的潛力, 但是俄羅斯加裝推力矢

3、量技術的現(xiàn)役作戰(zhàn)飛機的實戰(zhàn)效果卻并不明顯。出現(xiàn)這樣 問題的原因主要是因為俄羅斯口前使用的第三代戰(zhàn)斗機都是在上世紀七十年代 開始發(fā)展的，那個時候推力矢量技術還處于進行技術驗證的初級階段，因此俄羅 斯在開發(fā)第三代高機動性戰(zhàn)斗機時，是完全依靠氣動控制方式來滿足飛機對機動 性能的耍求，幾乎就沒冇考慮過未來推力矢量發(fā)動機在其機身上的應用可能，這 就造成了許多不便，實戰(zhàn)效果不佳。俄羅斯戰(zhàn)斗機的發(fā)動機在加裝推力矢量系統(tǒng)之后需要增加一定的結(jié)構(gòu)重量，在飛 機木身的重心位置已經(jīng)基木確定的情況廠改裝推力矢量發(fā)動機所增加的重量對 飛機的重量分配會造成較大的影響。無論是通過調(diào)整飛機結(jié)構(gòu)重量分配述是在機 身上增加配重，對

4、于現(xiàn)役飛機的改裝都是一個比較麻煩的工作。俄羅斯現(xiàn)役戰(zhàn)斗 機的氣動布局已經(jīng)確定，這些傳統(tǒng)的氣動布局與推力矢量控制之間存在有一定的 矛盾，滿足氣動控制需要的氣動設計冇的時候反倒會影響到推力矢量的效率。根 據(jù)帶有推力矢量的蘇-30mk在飛行表演中所進行的過失速機動動作來看，蘇-30mk進入機動的速度和 姿態(tài)限制都比美國f-22耍大，而且在動作轉(zhuǎn)換過程屮述存在姿態(tài)調(diào)整的問題， 有時候還需要依靠推力矢量噴管的偏轉(zhuǎn)來抵消翼面產(chǎn)牛的部分消極干擾，在機動 動作控制的精確性和響應速度上與f-22存在比較大的差距。加裝了推力矢量發(fā)動機后的蘇一37 / 30mk在機動性和皺捷性上確實有明顯的提 高，尤英是捉高了飛機

5、的過失速機動能力，這也是俄羅斯戰(zhàn)斗機加裝推力矢量發(fā) 動機的主要好處，但它的實戰(zhàn)程度并不高，原因何在?第三代戰(zhàn)斗機的機載導彈 武器都采用外掛的形式，而外掛物的氣動干擾會對過失速機動穩(wěn)定性造成影響, 廿前俄羅斯采用推力矢量技術的幾種機型在做過失速機動動作時都無法攜帶標 準的外掛載荷，而戰(zhàn)斗機又不可能只攜帶符合過失速機動飛行要求的外掛，更何 況世界上到目前為止，戰(zhàn)斗機所采用的機載導彈武器都不能在過失速條件下冇效 使用。美國空軍對第三代戰(zhàn)斗機過失速機動作戰(zhàn)的模擬結(jié)果表明，能夠在過失速 機動過程屮有效使用的機載武器只有航炮，因此當還沒有一種空空導彈能夠在過 失速機動過程中使用的條件下，第三代戰(zhàn)斗機的過失

6、速機動動作最大的作用只是 占位而不是攻擊。俄羅斯現(xiàn)役戰(zhàn)斗機在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的戰(zhàn)術使用方法同樣限制了推力矢量技術的應 用，口前俄羅斯戰(zhàn)斗機的戰(zhàn)術發(fā)展方向是依靠先進的雷達和機載導彈進行超視距 空戰(zhàn)，而現(xiàn)役格斗導彈的機動性也明顯超過了戰(zhàn)斗機的機動性，因此改進格斗導 彈的機動性所獲得的戰(zhàn)斗力捉高幅度要遠遠地超過飛機機動性提高后的效杲，依 靠推力矢量發(fā)動機所獲得的高機動性和過失速機動能力在這種屮距空戰(zhàn)屮的意 義不大。美國美國也曾在f 15、f-16和f / a-18±改裝過推力矢量技術驗證機，通 過試驗發(fā)現(xiàn)第三代戰(zhàn)斗機并不能夠很有效地利用推力矢量的效果，更無法達到像 f 22那樣通過推力矢量輔助翼

7、而起到減阻、減重的效果，這主要是因為第三代 戰(zhàn)斗機是強調(diào)機動性能的機型，在設計時都是以氣動控制作為飛機獲得高機動飛 行性能的基礎，而推力矢量技術在對飛機的控制上與飛機木身的氣動控制存在比 較大的差別，簡單地為-種采用氣動控制作為設計基礎的戰(zhàn)斗機加裝推力矢量發(fā) 動機的價值非常有限，所能夠得到的性能改善也無法真正達到將推力矢量與氣動 控制完美結(jié)合后的效果。f-22在捉高飛機機動飛行性能的設計過程屮，最大的 困難就是如何使一架與f-15規(guī)格相當?shù)闹匦蛻?zhàn)斗機，在空戰(zhàn)中能夠具備比f- 16輕型戰(zhàn)斗機更好的機動性和敏捷性。完全依靠氣動控制來滿足f22對機動 性和敏捷性方面的技術要求是非常困難的，雖然f-2

8、2在設計上并沒有過于強調(diào) 過失速機動飛行的能力，但是軍方耍求中的大迎角飛行控制能力仍然不是常規(guī)氣 動控制技術所能夠滿足的，因此在f-22設計開始階段，美國就將發(fā)動機推力矢 量和氣動控制一起進行了綜合考慮。f-22綜合利用了大面積氣動控制面和發(fā)動機推力矢量系統(tǒng)，具備了很好的大迎 角飛行性能和過失速飛行能力，f-22戰(zhàn)斗機在20度迎角下的滾轉(zhuǎn)速率可以達到 100度/秒，并且能夠在滾轉(zhuǎn)過程屮迅速改變飛機的速度矢量和機頭指向。f-22 戰(zhàn)斗機在60度迎角的高機動飛行中的滾轉(zhuǎn)速率為30度/秒，而機頭指向移動速 率可以達到90度/秒的驚人水平。推力矢量融合技術的采用使f-22戰(zhàn)斗機在速 度非常低的條件下仍

9、然具冇可靠的控制能力，即使在飛行速度已經(jīng)降低到74千 米/小時的時候也可以在俯仰方向完成有效的控制。f-22在俯仰軸方向?qū)崿F(xiàn)推 力矢量控制技術吋不需要付出氣動控制面的阻力以及重量的代價，這也是保證 f-22能得到足夠的俯仰控制力矩的最冇效的辦法。f-22戰(zhàn)斗機通過俯仰軸方向 可差動（即發(fā)動機兩個噴管的方向可不同）的推力矢量控制，明顯地降低了飛機運 動過程屮對常規(guī)氣動控制而的要求，僅僅水平尾翼就可以減少186平方米的而 積和181千克的結(jié)構(gòu)重量，這種推力矢量融合技術在減重和減阻的同時有效地提 高了 f-22戰(zhàn)斗機的結(jié)構(gòu)隱身性能，并且使飛機具備了不受飛機迎角姿態(tài)限制的 俯仰控制能力。f-22戰(zhàn)斗機

10、的二元推力矢量噴管通過獨立控制的噴管調(diào)節(jié)片進 行機械偏轉(zhuǎn)，可偏轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)片同時還具備控制噴口面積的能力，具有±20度調(diào) 節(jié)范圍的可偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)片在飛控計算機傳遞給發(fā)動機電子控制系統(tǒng)的指令下，能夠 以40度/秒的運動速率在全偏轉(zhuǎn)范圍內(nèi)進行任意角度的調(diào)節(jié)。f-22戰(zhàn)斗機每臺 發(fā)動機的推力矢量噴管都從控制系統(tǒng)接收各自獨立的控制命令，兩臺發(fā)動機的俯 仰控制都口j以獨立進行調(diào)節(jié)。f-22戰(zhàn)斗機在推力矢量控制啟動狀態(tài)時，俯仰控 制是由平尾的作動筒位置信號來調(diào)節(jié)矢量噴管的偏轉(zhuǎn)角度，飛行員在操縱時不需 耍對矢量噴口調(diào)節(jié)進行任何形式的人工干預。f-22戰(zhàn)斗機的推力矢量是由飛行 計算機根據(jù)空速和飛機的迎角自動

11、控制的，發(fā)動機的推力矢量控制可以根據(jù)情況 人工關閉，但在飛機出現(xiàn)翼尖失速或深度失速狀態(tài)吋，飛機上的計算機可自動啟 動發(fā)動機推力矢量系統(tǒng)工作，確保飛機安全。那么將以下兩技術結(jié)合后的效果有多出色呢?我們通過f-22的飛行性能就能看 得很清楚。f-22在綜合應用推力矢量系統(tǒng)后可以獲得很高的低速機動性和飛行 穩(wěn)定性，yf-22戰(zhàn)斗機原型機在試飛中試驗了在迎角60度、空速152千米/小 時的條件下對飛機進行配平的能力，并11還驗證了 f-22戰(zhàn)斗機在迎角達到70 度時仍然可以進行配平和具有穩(wěn)定的俯仰力矩斜率。f-22戰(zhàn)斗機有能力依靠推 力矢量技術配平超大迎角的飛行姿態(tài)，可以完成與蘇-27表演的“眼鏡蛇”

12、類似 的大迎角機動動作，f-22在機動中超越蘇-27 “眼鏡蛇”飛行動作的地方是 f-22戰(zhàn)斗機在進行類似“眼鏡蛇”機動的整個過程屮可以隨吋保持、改出（即在 作一個動作的過程中可隨時停止并執(zhí)行其他動作）動作并進行姿態(tài)調(diào)整。即使在 發(fā)動機處于慢車狀態(tài)下也可以獲得15度/秒的卜俯速率，并且飛機在整個改出 過程屮完全處于可控狀態(tài)。f-22在60度以下的大迎角飛行姿態(tài)時處于完全可控 狀態(tài)，俯仰姿態(tài)和迎角控制可以精確到0. 5度，大迎角姿態(tài)下的側(cè)滑角和滾轉(zhuǎn) 控制都非常穩(wěn)定，不會在大迎角飛行屮產(chǎn)生明顯的機冀下沉或擺動狀態(tài)。f-22 的人迎角滾轉(zhuǎn)狀態(tài)是由飛行控制系統(tǒng)根據(jù)迎角數(shù)值的變化自動調(diào)整的，f-22在

13、迎角20度到40度z間進行滾轉(zhuǎn)時的航向姿態(tài)比較穩(wěn)定，當迎角超過40度后進 行傾斜滾轉(zhuǎn)將會形成極其冇利于調(diào)整機頭指向的航向變化。使用推力矢量的 f-22戰(zhàn)斗機在20度迎角時的滾轉(zhuǎn)速率比空氣動力控制提高了一倍，即使在迎角 超過40度吋還可以提供20-30度/秒的穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎角速度，而這些飛行性能的獲 得在沒冇推力矢量技術的時候是完全不口j想象的。融合后的推力矢量系統(tǒng)還可以 明顯改善f-22戰(zhàn)斗機的超咅速機動性能，f-22在飛行速度1. 5馬赫時的轉(zhuǎn)彎 性能和響應速度與f16的飛行速度在0. 8馬赫時基本相當，而.ft f-22戰(zhàn)斗機 在飛行高度11500米，空速1. 2馬赫條件下具有很強的穩(wěn)定盤旋能力

14、和單位剩 余功率，可以進行第三代戰(zhàn)斗機完全無法完成的超音速持續(xù)轉(zhuǎn)彎和俯仰機動。f-22是世界上第一種真止將氣動控制與推力矢量有機結(jié)合到一起的作戰(zhàn)飛機， 由此也使f22戰(zhàn)斗機在獲得了前所未有的高機動性的同時也具冇高安全性和 高可靠性，f22在機動飛行時與目前第三代戰(zhàn)斗機由飛行控制系統(tǒng)通過限制飛 機的飛行姿態(tài)來控制飛行邊界不同，氣動控制與推力矢量的結(jié)合使f-22機動邊 界只受到飛機員承受極限的限制，確保f-22能夠在發(fā)揮全部飛行性能的同時進 行真止意義上的無顧慮操縱。f-22的飛行表演雖然在機動動作上可能沒有蘇-37 / 30mk那樣花樣繁多，但是任 何一個合格的f-22戰(zhàn)斗機駕駛員都可以完成“眼鏡蛇”這樣的高級機動動作， 而且在進行類似的大迎角過失速機動動作的過程中還可以做到全程可控，可以說 f-22在過失速機動飛行中的動作要比蘇-37 / 30mk的類似動作有更強的實用性。f-22采用推力矢量是因為考慮到與同樣具備低信號特征的戰(zhàn)斗機發(fā)生格斗空戰(zhàn) 的需要，而設計時就將推力矢量與氣動控制綜合考慮的f-22,在完成機動動作 吋的