軍事電子(4)

作者：撒旦　

　　推力矢量技術(shù)（Thrust Vectoring Technology簡(jiǎn)稱(chēng)TVT）是當代最新的航空高科技之一。由于該項技術(shù)可以加強飛機的氣動(dòng)/推進(jìn)系統一體化設計，改善飛機的操縱效率和控制能力，顯著(zhù)提高其機動(dòng)性，因而它將成為21世紀戰斗機必須具備的一項標準技術(shù)。

　　推力矢量技術(shù)又稱(chēng)推力矢量控制，其特點(diǎn)是：動(dòng)力裝置除為飛行器提供前進(jìn)的推力外，還可以通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機推力方向和大小，獲得所需的控制力矩，使飛行器做預期的俯仰、偏航、滾轉和減速運動(dòng)。在某些狀態(tài)下，其對飛行器的控制效率要遠遠高于依靠外部氣動(dòng)來(lái)進(jìn)行操縱的活動(dòng)舵面。

　　TVT是一項與自動(dòng)控制系統、氣動(dòng)/推進(jìn)系統、新型材料等有關(guān)綜合性技術(shù)，它主要通過(guò)偏轉推力矢量噴管來(lái)實(shí)現對飛行器的控制。推力矢量噴管目前主要有二元（矩形）和軸對稱(chēng)（圓形）兩種。其基本原理是通過(guò)改變噴管的方向，使發(fā)動(dòng)機推力發(fā)生偏轉，以產(chǎn)生矢量力和力矩，來(lái)滿(mǎn)足改變飛行器氣動(dòng)特性和飛行姿態(tài)的要求。

　　推力矢量技術(shù)對未來(lái)戰斗機在過(guò)失速機動(dòng)性、常規機動(dòng)性、敏捷性、隱身性能和短距起降性能等方面有著(zhù)顯著(zhù)的影響。

一、實(shí)現過(guò)失速機動(dòng)

　　近年來(lái)，為提高戰斗機的機動(dòng)性，國外廣泛開(kāi)展了對過(guò)失速機動(dòng)的研究，以期擴大飛行包線(xiàn)的左右界，為飛行員快速調轉機頭和發(fā)射導彈創(chuàng )造條件。目前，大多數第三代戰斗機在超過(guò)失速迎角狀態(tài)下都無(wú)法實(shí)施機動(dòng)。因為飛機在過(guò)失速范圍內，其操縱面基本失效，飛機的氣動(dòng)力處于非線(xiàn)性狀態(tài)。例如，F—16戰斗機的限制迎角為24度左右，諾迎角達到60度，就會(huì )陷入深度失速區，飛機將無(wú)法改出。然而，未來(lái)戰斗機的戰術(shù)技術(shù)又要求能擴大使用迎角范圍，甚至達到90度或更高，只有在過(guò)失速迎角范圍內仍然迅速指向敵機并射擊，才能保證戰斗機發(fā)揮其最高格斗能力。因此，當今各大航空大國都在積極研究適應戰斗機過(guò)失速機動(dòng)的相應措施。推力矢量技術(shù)將先進(jìn)的起動(dòng)力、飛行控制以及發(fā)動(dòng)機推力技術(shù)等融為一體，采取飛機/發(fā)動(dòng)機/飛控系統/火控系統一體化設計，從而使戰斗機的過(guò)失速機動(dòng)成為現實(shí)。

　　美國的F—22先進(jìn)戰術(shù)戰斗機采用新研制的二元噴口，可進(jìn)行兩個(gè)方向的推力矢量變化，從而極大地提高飛機的過(guò)失速機動(dòng)能力。F—22Z在迎角40度時(shí)可繞速度矢量軸做360度滾轉；在飛行速度及?。?10千米/小時(shí)）的情況下，以60度迎角仍可以在1秒內滾轉30度，而無(wú)任何控制上的問(wèn)題，表現了前所未有的過(guò)失速機動(dòng)能力。而美德聯(lián)合研制的X—31高機動(dòng)性驗證機以及俄羅斯蘇—37戰斗機在航展上表演的過(guò)失速機動(dòng)動(dòng)作，至今仍令人回味無(wú)窮。

二、提高常規機動(dòng)性

　　飛機的機動(dòng)性通常是指在舵面偏轉、油門(mén)變化時(shí)所產(chǎn)生的力和力矩作用下，在空間占據所需位置以及改變速度大小和飛行方向的能力。德國梅賽事施密特-伯爾克-布洛姆公司曾制定出對新一代戰斗機機動(dòng)性的戰術(shù)技術(shù)指標。其中，特別強調飛機在高亞音速和超音速飛行中能迅速改變方向，以提高空戰時(shí)先發(fā)制人的能力。實(shí)驗飛機的試飛表明：在M數為0.8的條件下，只要戰斗機的轉彎角速度占有3度/秒的優(yōu)勢，就可以在近距空戰穩操勝券。目前，第三代戰斗機的最大瞬間盤(pán)旋角速度大約在20~26度/秒。除非改變飛機的構型，使空氣動(dòng)力性能得根本性改善，否則它們的瞬時(shí)盤(pán)旋角速度值不可能進(jìn)一步提高。

　　在這種情況下，采用推力矢量技術(shù)不失為一種解決問(wèn)題的非傳統辦法。這是因為配備有推力矢量裝置的戰斗機，在飛行過(guò)程中偏轉矢量噴管后，可使飛機獲得額外的起動(dòng)力和力矩，令飛機的機動(dòng)性大為改觀(guān)，在近距空戰占有優(yōu)勢。

　　例如，采用二元推力矢量噴管的F—15S/MTD（短距起降/機動(dòng)技術(shù)驗證機），在噴管向下偏轉時(shí)，由于產(chǎn)生了較大的推力升力，并在機身上誘導出“超環(huán)流”，因而，其最大升力系數（Cymax）要比F—15C提高78%；在M數1.4，高度12200米時(shí)，依靠推力矢量噴管可使其滾轉速率提高53%；M數0.3，高度6100米時(shí)，其爬升率可提高37%；在M數1.4，高度12200米時(shí)，其加速性可提高30%巡航距離增加17%。當二元噴口大開(kāi)反推力裝置，飛機的減速率可改善72%。從上述對比中不難看出：采用推力矢量技術(shù)對飛機機動(dòng)性的影響是十分顯著(zhù)的。

三、增強敏捷性

　　敏捷性是衡量第四代戰斗機作戰水平的一項重要參數。國外進(jìn)行的一系列空戰模擬實(shí)驗表明：改善現代戰斗機的瞬態(tài)敏捷性，可使飛機在整個(gè)包線(xiàn)內提高俯仰、滾轉和偏航速率，相當于將戰斗機的推力增加30%或翼載減小23%。由此而獲得綜合作戰效能，要比具有同樣技術(shù)水平，但敏捷性能較低的戰斗機高的多，其空戰兌換率可提高50%以上。在防御性空戰中，高敏捷性加上機載全方位導彈告警系統合誘餌裝置，可使戰斗機迅速擺脫敵方的攻擊并取得空戰主動(dòng)權。另外，高敏捷性也是對付地面防空武器的有效手段之一，有助于提高飛機的低空生存力。
所謂敏捷性，是指飛機迅速改變其速度矢量（或機身矢量）運動(dòng)方向的能力。駕駛員手腕一動(dòng)，飛機就立即繞機體軸旋轉，做出相應的動(dòng)作，達到所需的狀態(tài)，這在近距空戰中爭取主動(dòng)非常重要。

　　F—22是第四代戰斗機典型的代表，其高敏捷性主要是利用推力矢量技術(shù)獲得的。該機的俯仰控制可由推力矢量噴管和平尾合作完成，飛行控制系統不存在迎角限制，能在所有迎角范圍內對俯仰方向進(jìn)行精確控制。據稱(chēng)，F—22的俯仰速率可高達60度/秒。在迎角大于30度時(shí)利用推力矢量系統和差動(dòng)平尾進(jìn)行偏航控制，可達到更大的滾轉速率。在20度迎角下，其滾轉速率從50度/秒增至100度/秒。在超音速狀態(tài)下，二元推力矢量噴管和平尾交聯(lián)，共同進(jìn)行操縱，可使飛機在M＞1.4時(shí)的盤(pán)旋角速度提高30%。

　　F—22具有的敏捷性品質(zhì)，被美國的試飛員精辟地總結為：“它總是做我想要它做的事，從不做我不想讓它做的任何事情?！?/P>

四、改善隱身性能

　　隱身性能不僅有利于提高飛機的生存力，也有利于達成攻擊的突然性。對新一代戰斗機來(lái)說(shuō)，具備“先敵發(fā)現、先敵攻擊”的超視距作戰能力是極為重要的。采用二元推力矢量噴管可以顯著(zhù)提高飛機的雷達和紅外隱身能力。

　　在飛機的隱身性能中，最重要的是雷達和紅外隱身，大長(cháng)寬比的矩形二元噴管容易實(shí)現雨后機身的融合，這除了有利于降低飛機尾部底阻外，還有助于減小側向和后向的雷達反射截面積。就改善紅外隱身特性而言，采用二元噴管也較為有利。與基準軸對稱(chēng)的圓形噴管相比，二元噴管排出的燃氣氣流更易與外界空氣摻混，其尾噴流的降溫速度要較圓形噴口快的多。如果采用一些特殊的設計，其紅外隱身的效果會(huì )更好。有的二元矢量噴管在其上下表面裝有可轉動(dòng)的葉柵和噴管控制板。在進(jìn)行推力換向時(shí)，用控制板關(guān)閉主噴口，并轉動(dòng)葉柵極可達到目的。這時(shí)，由于住噴管被關(guān)閉，阻擋了渦輪和尾噴管的熱輻射，紅外信號大大減少。還有一種研究中的帶有可調式的雙喉道二元噴管，紅外隱身性能更佳。實(shí)驗結果表明，由于中心的契體將發(fā)動(dòng)機大部分的紅外輻射都擋住了，在飛機后半球范圍內，它可將飛機的紅外信息特征減少90%。折合成跟蹤距離，則可減少45%。

　　美國的F—22飛機之所以具有良好的雷達和紅外隱身性能，這與其發(fā)動(dòng)機上裝有二元矢量噴管是分不開(kāi)的。

五、縮短起降距離

　　良好的短距起降性能可降低飛機對機場(chǎng)的依賴(lài)程度，提高戰斗機的地面生存力、機動(dòng)作戰能力和快速反應能力。所以?？s短戰斗機的起降滑跑距離，一直是飛機設計師孜孜追求的目標。在第四代戰斗機的戰術(shù)技術(shù)指標中，短距起降性能是一條重要的要求，而利用推力矢量技術(shù)，可以明顯地改善戰斗機精確著(zhù)陸的能力，并大大縮短其起飛和降落時(shí)的滑跑距離。

　　在這方面最為典型的事例，是美國人研制的F—15S/MTD驗證機。該機經(jīng)過(guò)改裝，用具有推力矢量功能的二元噴管取代了普通的圓形噴管，并在進(jìn)氣道的兩側，加裝了一對全動(dòng)前翼。其飛行操縱和發(fā)動(dòng)機控制系統也進(jìn)行了適當的調整和更新。該機在起飛滑跑時(shí)依靠推力轉向裝置的幫助，能使配平勝利增大，機頭迅速抬起，只滑行231米即可離地。與常規性的F—15A和F—15C戰斗機相比，它的起飛滑跑距離可減少29~60%。F—15S/MTD驗證機在著(zhù)陸時(shí)，利用先進(jìn)的導航系統、電傳操縱系統和推力轉向/反推力裝置，可以實(shí)現500米以下的小場(chǎng)地內精確著(zhù)陸。

六、推力矢量噴管存在的問(wèn)題

　　裝有推力矢量噴管的戰斗機也存在一些問(wèn)題，例如，這類(lèi)噴管結構和控制比較復雜，重量比較大，造價(jià)相當高；需要采用專(zhuān)門(mén)的控制系統，通過(guò)全權限、多余度、數字式電傳操縱方式來(lái)協(xié)調氣動(dòng)舵面、推力矢量噴管的偏轉和發(fā)動(dòng)機的工作；需要有專(zhuān)門(mén)的飛行顯示裝置；矩形的二元噴管的內流阻力比較大，發(fā)動(dòng)機的推力會(huì )有一定的損失；一些活動(dòng)部件要在高溫、高壓的惡劣環(huán)境下工作，需要采用特殊的材料并配備散熱系統，即使這樣，其使用壽命也比較低；推力矢量系統必須高效、高可靠，因為一旦發(fā)生故障，飛機將難以控制，而長(cháng)時(shí)間的可靠性又很難做到。為安全起見(jiàn)，必須為裝有推力矢量技術(shù)系統的飛機，配備永久性的防螺旋裝置。
目前，除美國、俄羅斯外，英國、法國、德國和以色列等國家都加強這方面的研究，以期發(fā)揚其長(cháng)處，克服其不足，使這項技術(shù)趨于成熟，盡早應用于新一代戰斗機上。美國的F—22、俄羅斯的蘇—37已經(jīng)成功地配置了推力矢量噴管。開(kāi)發(fā)中的美國的F—35、俄羅斯的蘇—47等新型戰斗機也將采用這項技術(shù)。

　　從發(fā)展趨勢來(lái)看，推力矢量控制技術(shù)在未來(lái)戰斗機上應用將從目前具有部分矢量功能向著(zhù)完全矢量化飛機（Pure Vectored Aircraft簡(jiǎn)稱(chēng)PVA）的方向發(fā)展。但需要在氣動(dòng)、材料、結構以及控制等方面進(jìn)行綜合研究，開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的飛機/發(fā)動(dòng)機/矢量噴管一體化控制系統。
可以預言：21世紀的戰斗機由于采用推力矢量技術(shù)，將會(huì )使空戰形式變得更加復雜，空中格斗變得更加激烈和精彩紛呈。