美俄推力矢量技術(shù)差異談

1、美俄推力矢量技術(shù)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(jìn)的推力矢量技術(shù)并將其應(yīng)用于 齊口的主力戰(zhàn)斗機(jī)上，雖同為推力矢量技術(shù)，但兩國在應(yīng)用方面卻有諸多的不同， 進(jìn)而導(dǎo)致其使用效果也差異很大。應(yīng)用上的不同俄羅斯俄羅斯在推力矢量發(fā)動機(jī)開發(fā)領(lǐng)域具有十分強(qiáng)大的實(shí)力，其在蘇-27和 米格-29的改進(jìn)型號上大量使用推力矢量發(fā)動機(jī)，我們可以用一個簡單的加法來 表示俄羅斯推力矢量技術(shù)的應(yīng)用方法：常規(guī)氣動布局+推力矢量發(fā)動機(jī)。美國美國并沒冇像俄羅斯那樣將推力矢量發(fā)動機(jī)直接裝在第三代戰(zhàn)斗機(jī)上來使 用，其具備推力矢量技術(shù)的戰(zhàn)斗機(jī)f-22和f-35,都是最新開發(fā)的第四代

2、戰(zhàn)斗機(jī)。 以f-22為例說明，其是目前服役的先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)中惟一一種在設(shè)計階段就將推力 矢量技術(shù)與氣動控制技術(shù)進(jìn)行綜合設(shè)計的機(jī)型，這個技術(shù)特點(diǎn)使f22在飛行性 能方面達(dá)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(shù)歸 類為常規(guī)氣動布局+推力矢量發(fā)動機(jī)，而應(yīng)將其稱為氣動控制與推力矢量融合技 術(shù)，它將兩者有機(jī)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(jī)上使用推力矢量發(fā)動機(jī)后，確實(shí)可以明顯提高 戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動性能，甚至可以完成很多沒有加裝推力矢量發(fā)動機(jī)的常規(guī)戰(zhàn)斗機(jī)所 無法完成的高機(jī)動飛行動作，其中很多機(jī)動動作述具冇改變現(xiàn)冇空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)的潛力, 但是俄羅斯加裝推力矢

3、量技術(shù)的現(xiàn)役作戰(zhàn)飛機(jī)的實(shí)戰(zhàn)效果卻并不明顯。出現(xiàn)這樣 問題的原因主要是因?yàn)槎砹_斯口前使用的第三代戰(zhàn)斗機(jī)都是在上世紀(jì)七十年代 開始發(fā)展的，那個時候推力矢量技術(shù)還處于進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證的初級階段，因此俄羅 斯在開發(fā)第三代高機(jī)動性戰(zhàn)斗機(jī)時，是完全依靠氣動控制方式來滿足飛機(jī)對機(jī)動 性能的耍求，幾乎就沒冇考慮過未來推力矢量發(fā)動機(jī)在其機(jī)身上的應(yīng)用可能，這 就造成了許多不便，實(shí)戰(zhàn)效果不佳。俄羅斯戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)所增加的重量對 飛機(jī)的重量分配會造成較大的影響。無論是通過調(diào)整飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量分配述是在機(jī) 身上增加配重，對

4、于現(xiàn)役飛機(jī)的改裝都是一個比較麻煩的工作。俄羅斯現(xiàn)役戰(zhàn)斗 機(jī)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(shè)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(jìn)行的過失速機(jī)動動作來看，蘇-30mk進(jìn)入機(jī)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(jī)動 動作控制的精確性和響應(yīng)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(jī)后的蘇一37 / 30mk在機(jī)動性和皺捷性上確實(shí)有明顯的提 高，尤英是捉高了飛機(jī)

5、的過失速機(jī)動能力，這也是俄羅斯戰(zhàn)斗機(jī)加裝推力矢量發(fā) 動機(jī)的主要好處，但它的實(shí)戰(zhàn)程度并不高，原因何在?第三代戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)載導(dǎo)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(jī)動穩(wěn)定性造成影響, 廿前俄羅斯采用推力矢量技術(shù)的幾種機(jī)型在做過失速機(jī)動動作時都無法攜帶標(biāo) 準(zhǔn)的外掛載荷，而戰(zhàn)斗機(jī)又不可能只攜帶符合過失速機(jī)動飛行要求的外掛，更何 況世界上到目前為止，戰(zhàn)斗機(jī)所采用的機(jī)載導(dǎo)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(jī)過失速機(jī)動作戰(zhàn)的模擬結(jié)果表明，能夠在過失速 機(jī)動過程屮有效使用的機(jī)載武器只有航炮，因此當(dāng)還沒有一種空空導(dǎo)彈能夠在過 失速機(jī)動過程中使用的條件下，第三代戰(zhàn)斗機(jī)的過失

6、速機(jī)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(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的戰(zhàn)術(shù)使用方法同樣限制了推力矢量技術(shù)的應(yīng) 用，口前俄羅斯戰(zhàn)斗機(jī)的戰(zhàn)術(shù)發(fā)展方向是依靠先進(jìn)的雷達(dá)和機(jī)載導(dǎo)彈進(jìn)行超視距 空戰(zhàn)，而現(xiàn)役格斗導(dǎo)彈的機(jī)動性也明顯超過了戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動性，因此改進(jìn)格斗導(dǎo) 彈的機(jī)動性所獲得的戰(zhàn)斗力捉高幅度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過飛機(jī)機(jī)動性提高后的效杲，依 靠推力矢量發(fā)動機(jī)所獲得的高機(jī)動性和過失速機(jī)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(shù)驗(yàn)證機(jī)，通 過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)第三代戰(zhàn)斗機(jī)并不能夠很有效地利用推力矢量的效果，更無法達(dá)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?yàn)榈谌?戰(zhàn)斗機(jī)是強(qiáng)調(diào)機(jī)動性能的機(jī)型，在設(shè)計時都是以氣動控制作為飛機(jī)獲得高機(jī)動飛 行性能的基礎(chǔ)，而推力矢量技術(shù)在對飛機(jī)的控制上與飛機(jī)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(shè)計基礎(chǔ)的戰(zhàn)斗機(jī)加裝推力矢量發(fā) 動機(jī)的價值非常有限，所能夠得到的性能改善也無法真正達(dá)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(jī)機(jī)動飛行性能的設(shè)計過程屮，最大的 困難就是如何使一架與f-15規(guī)格相當(dāng)?shù)闹匦蛻?zhàn)斗機(jī)，在空戰(zhàn)中能夠具備比f- 16輕型戰(zhàn)斗機(jī)更好的機(jī)動性和敏捷性。完全依靠氣動控制來滿足f22對機(jī)動 性和敏捷性方面的技術(shù)要求是非常困難的，雖然f-2

8、2在設(shè)計上并沒有過于強(qiáng)調(diào) 過失速機(jī)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(shù)所能夠滿足的，因此在f-22設(shè)計開始階段，美國就將發(fā)動機(jī)推力矢 量和氣動控制一起進(jìn)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(jī)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(jī)在20度迎角下的滾轉(zhuǎn)速率可以達(dá)到 100度/秒，并且能夠在滾轉(zhuǎn)過程屮迅速改變飛機(jī)的速度矢量和機(jī)頭指向。f-22 戰(zhàn)斗機(jī)在60度迎角的高機(jī)動飛行中的滾轉(zhuǎn)速率為30度/秒，而機(jī)頭指向移動速 率可以達(dá)到90度/秒的驚人水平。推力矢量融合技術(shù)的采用使f-22戰(zhàn)斗機(jī)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(shù)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(jī)通過俯仰軸方向 可差動（即發(fā)動機(jī)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(jī)運(yùn) 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(shù)在減重和減阻的同時有效地提 高了 f-22戰(zhàn)斗機(jī)的結(jié)構(gòu)隱身性能，并且使飛機(jī)具備了不受飛機(jī)迎角姿態(tài)限制的 俯仰控制能力。f-22戰(zhàn)斗機(jī)

10、的二元推力矢量噴管通過獨(dú)立控制的噴管調(diào)節(jié)片進(jìn) 行機(jī)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(jī)傳遞給發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的指令下，能夠 以40度/秒的運(yùn)動速率在全偏轉(zhuǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行任意角度的調(diào)節(jié)。f-22戰(zhàn)斗機(jī)每臺 發(fā)動機(jī)的推力矢量噴管都從控制系統(tǒng)接收各自獨(dú)立的控制命令，兩臺發(fā)動機(jī)的俯 仰控制都口j以獨(dú)立進(jìn)行調(diào)節(jié)。f-22戰(zhàn)斗機(jī)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(jìn)行任何形式的人工干預(yù)。f-22戰(zhàn)斗機(jī)的推力矢量是由飛行 計算機(jī)根據(jù)空速和飛機(jī)的迎角自動

11、控制的，發(fā)動機(jī)的推力矢量控制可以根據(jù)情況 人工關(guān)閉，但在飛機(jī)出現(xiàn)翼尖失速或深度失速狀態(tài)吋，飛機(jī)上的計算機(jī)可自動啟 動發(fā)動機(jī)推力矢量系統(tǒng)工作，確保飛機(jī)安全。那么將以下兩技術(shù)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(yīng)用推力矢量系統(tǒng)后可以獲得很高的低速機(jī)動性和飛行 穩(wěn)定性，yf-22戰(zhàn)斗機(jī)原型機(jī)在試飛中試驗(yàn)了在迎角60度、空速152千米/小 時的條件下對飛機(jī)進(jìn)行配平的能力，并11還驗(yàn)證了 f-22戰(zhàn)斗機(jī)在迎角達(dá)到70 度時仍然可以進(jìn)行配平和具有穩(wěn)定的俯仰力矩斜率。f-22戰(zhàn)斗機(jī)有能力依靠推 力矢量技術(shù)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(jī)動動作，f-22在機(jī)動中超越蘇-27 “眼鏡蛇”飛行動作的地方是 f-22戰(zhàn)斗機(jī)在進(jìn)行類似“眼鏡蛇”機(jī)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(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。即使在 發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)行滾轉(zhuǎn)時的航向姿態(tài)比較穩(wěn)定，當(dāng)迎角超過40度后進(jìn) 行傾斜滾轉(zhuǎn)將會形成極其冇利于調(diào)整機(jī)頭指向的航向變化。使用推力矢量的 f-22戰(zhàn)斗機(jī)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(shù)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(jī)的超咅速機(jī)動性能，f-22在飛行速度1. 5馬赫時的轉(zhuǎn)彎 性能和響應(yīng)速度與f16的飛行速度在0. 8馬赫時基本相當(dāng)，而.ft f-22戰(zhàn)斗機(jī) 在飛行高度11500米，空速1. 2馬赫條件下具有很強(qiáng)的穩(wěn)定盤旋能力

14、和單位剩 余功率，可以進(jìn)行第三代戰(zhàn)斗機(jī)完全無法完成的超音速持續(xù)轉(zhuǎn)彎和俯仰機(jī)動。f-22是世界上第一種真止將氣動控制與推力矢量有機(jī)結(jié)合到一起的作戰(zhàn)飛機(jī)， 由此也使f22戰(zhàn)斗機(jī)在獲得了前所未有的高機(jī)動性的同時也具冇高安全性和 高可靠性，f22在機(jī)動飛行時與目前第三代戰(zhàn)斗機(jī)由飛行控制系統(tǒng)通過限制飛 機(jī)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(jī)動邊 界只受到飛機(jī)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(jìn) 行真止意義上的無顧慮操縱。f-22的飛行表演雖然在機(jī)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(jī)駕駛員都可以完成“眼鏡蛇”這樣的高級機(jī)動動作， 而且在進(jìn)行類似的大迎角過失速機(jī)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(jī)動飛行中的動作要比蘇-37 / 30mk的類似動作有更強(qiáng)的實(shí)用性。f-22采用推力矢量是因?yàn)榭紤]到與同樣具備低信號特征的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)生格斗空戰(zhàn) 的需要，而設(shè)計時就將推力矢量與氣動控制綜合考慮的f-22,在完成機(jī)動動作 吋的