盤點國外發動機的推力矢量技術

2020-12-15 萬象經驗

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

噴氣式發動機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。一般情況下,排氣方向沿著飛機軸線向後,因此飛機獲得的推力方向順著軸線向前。推力矢量技術就是通過偏轉發動機噴流的方向,改變推力的方向,從而獲得額外操縱力矩的技術。推力矢量控制方法可分為機械式和流體二次噴射。

推力轉向噴口

將風扇氣流和主涵道氣流分別使用可以傾轉的噴口引出,從而改變推力的方向。典型代表是英國羅羅的Pegasus飛馬發動機。美國聯合攻擊機JSF使用的F135發動機的尾噴口也是採用了可以轉向的機構。

折流瓣式偏折噴口

使用瓣式擋流板,強制性使噴射氣流方向偏轉。這種老式的矢量推力方式結構簡單,但推力損失很大。

二維推力矢量噴管

這是研究最多最成熟的技術。雖然二維推力矢量噴管無法提供偏航控制力矩,但是結構控制都簡單,配合電調飛控,已經進入可靠的使用階段,如美國的F-22戰機。F119-PW發動機使用了二維推力矢量噴管,實現了直接力控制,使得F-22獲得了十分優異的超機動能力。

軸對稱三維矢量噴管

軸對稱噴管的鱗片在作動筒的控制下,可以實現偏離軸心約15度,沿著周向360度的旋轉,理論上的推力方向可以任意改變,因此又稱為全向矢量推力控制。俄羅斯的幾款發動機已經進入工程實用階段,例如俄羅斯AL-31FN和AL-41F大推力軍用加力渦扇發動機。但是它結構複雜,所產生的全向推力矢量的變化對飛控的水平來說是個挑戰。

氣動控制折轉

氣動噴射推力矢量控制是指在發動機噴管出口某一位置(側向)引入第二股氣流,該股氣流主要用於控制。根據流體力學原理,在一定條件下,第二股氣流的引入能夠引起發動機噴射氣流方向的迅速改變,從而產生所需要的側向力和力矩。

利用側向氣流控制推力矢量的研究始於上世紀50年代末,當時的應用對象是火箭發動機。80年代末,美國宇航局等研究機構開始對渦輪發動機排氣噴管進行氣動控制推力矢量研究。90年代以來普惠和洛馬公司等執行了「氣動控制排氣噴管」和「流場噴射噴管技術」等研究計劃,通過模型試驗驗證了流場推力矢量技術在航空發動機應用的可行性。啟動二次噴射控制有望為先進的高性能飛機的理想的推力矢量裝置。

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