军事电子(4)

作者：撒旦　

　　推力矢量技术（Thrust Vectoring Technology简称TVT）是当代最新的航空高科技之一。由于该项技术可以加强飞机的气动/推进系统一体化设计，改善飞机的操纵效率和控制能力，显著提高其机动性，因而它将成为21世纪战斗机必须具备的一项标准技术。

　　推力矢量技术又称推力矢量控制，其特点是：动力装置除为飞行器提供前进的推力外，还可以通过改变发动机推力方向和大小，获得所需的控制力矩，使飞行器做预期的俯仰、偏航、滚转和减速运动。在某些状态下，其对飞行器的控制效率要远远高于依靠外部气动来进行操纵的活动舵面。

　　TVT是一项与自动控制系统、气动/推进系统、新型材料等有关综合性技术，它主要通过偏转推力矢量喷管来实现对飞行器的控制。推力矢量喷管目前主要有二元（矩形）和轴对称（圆形）两种。其基本原理是通过改变喷管的方向，使发动机推力发生偏转，以产生矢量力和力矩，来满足改变飞行器气动特性和飞行姿态的要求。

　　推力矢量技术对未来战斗机在过失速机动性、常规机动性、敏捷性、隐身性能和短距起降性能等方面有着显著的影响。

一、实现过失速机动

　　近年来，为提高战斗机的机动性，国外广泛开展了对过失速机动的研究，以期扩大飞行包线的左右界，为飞行员快速调转机头和发射导弹创造条件。目前，大多数第三代战斗机在超过失速迎角状态下都无法实施机动。因为飞机在过失速范围内，其操纵面基本失效，飞机的气动力处于非线性状态。例如，F—16战斗机的限制迎角为24度左右，诺迎角达到60度，就会陷入深度失速区，飞机将无法改出。然而，未来战斗机的战术技术又要求能扩大使用迎角范围，甚至达到90度或更高，只有在过失速迎角范围内仍然迅速指向敌机并射击，才能保证战斗机发挥其最高格斗能力。因此，当今各大航空大国都在积极研究适应战斗机过失速机动的相应措施。推力矢量技术将先进的起动力、飞行控制以及发动机推力技术等融为一体，采取飞机/发动机/飞控系统/火控系统一体化设计，从而使战斗机的过失速机动成为现实。

　　美国的F—22先进战术战斗机采用新研制的二元喷口，可进行两个方向的推力矢量变化，从而极大地提高飞机的过失速机动能力。F—22Z在迎角40度时可绕速度矢量轴做360度滚转；在飞行速度及小（110千米/小时）的情况下，以60度迎角仍可以在1秒内滚转30度，而无任何控制上的问题，表现了前所未有的过失速机动能力。而美德联合研制的X—31高机动性验证机以及俄罗斯苏—37战斗机在航展上表演的过失速机动动作，至今仍令人回味无穷。

二、提高常规机动性

　　飞机的机动性通常是指在舵面偏转、油门变化时所产生的力和力矩作用下，在空间占据所需位置以及改变速度大小和飞行方向的能力。德国梅赛事施密特-伯尔克-布洛姆公司曾制定出对新一代战斗机机动性的战术技术指标。其中，特别强调飞机在高亚音速和超音速飞行中能迅速改变方向，以提高空战时先发制人的能力。实验飞机的试飞表明：在M数为0.8的条件下，只要战斗机的转弯角速度占有3度/秒的优势，就可以在近距空战稳操胜券。目前，第三代战斗机的最大瞬间盘旋角速度大约在20~26度/秒。除非改变飞机的构型，使空气动力性能得根本性改善，否则它们的瞬时盘旋角速度值不可能进一步提高。

　　在这种情况下，采用推力矢量技术不失为一种解决问题的非传统办法。这是因为配备有推力矢量装置的战斗机，在飞行过程中偏转矢量喷管后，可使飞机获得额外的起动力和力矩，令飞机的机动性大为改观，在近距空战占有优势。

　　例如，采用二元推力矢量喷管的F—15S/MTD（短距起降/机动技术验证机），在喷管向下偏转时，由于产生了较大的推力升力，并在机身上诱导出“超环流”，因而，其最大升力系数（Cymax）要比F—15C提高78%；在M数1.4，高度12200米时，依靠推力矢量喷管可使其滚转速率提高53%；M数0.3，高度6100米时，其爬升率可提高37%；在M数1.4，高度12200米时，其加速性可提高30%巡航距离增加17%。当二元喷口大开反推力装置，飞机的减速率可改善72%。从上述对比中不难看出：采用推力矢量技术对飞机机动性的影响是十分显著的。

三、增强敏捷性

　　敏捷性是衡量第四代战斗机作战水平的一项重要参数。国外进行的一系列空战模拟实验表明：改善现代战斗机的瞬态敏捷性，可使飞机在整个包线内提高俯仰、滚转和偏航速率，相当于将战斗机的推力增加30%或翼载减小23%。由此而获得综合作战效能，要比具有同样技术水平，但敏捷性能较低的战斗机高的多，其空战兑换率可提高50%以上。在防御性空战中，高敏捷性加上机载全方位导弹告警系统合诱饵装置，可使战斗机迅速摆脱敌方的攻击并取得空战主动权。另外，高敏捷性也是对付地面防空武器的有效手段之一，有助于提高飞机的低空生存力。
所谓敏捷性，是指飞机迅速改变其速度矢量（或机身矢量）运动方向的能力。驾驶员手腕一动，飞机就立即绕机体轴旋转，做出相应的动作，达到所需的状态，这在近距空战中争取主动非常重要。

　　F—22是第四代战斗机典型的代表，其高敏捷性主要是利用推力矢量技术获得的。该机的俯仰控制可由推力矢量喷管和平尾合作完成，飞行控制系统不存在迎角限制，能在所有迎角范围内对俯仰方向进行精确控制。据称，F—22的俯仰速率可高达60度/秒。在迎角大于30度时利用推力矢量系统和差动平尾进行偏航控制，可达到更大的滚转速率。在20度迎角下，其滚转速率从50度/秒增至100度/秒。在超音速状态下，二元推力矢量喷管和平尾交联，共同进行操纵，可使飞机在M＞1.4时的盘旋角速度提高30%。

　　F—22具有的敏捷性品质，被美国的试飞员精辟地总结为：“它总是做我想要它做的事，从不做我不想让它做的任何事情。”

四、改善隐身性能

　　隐身性能不仅有利于提高飞机的生存力，也有利于达成攻击的突然性。对新一代战斗机来说，具备“先敌发现、先敌攻击”的超视距作战能力是极为重要的。采用二元推力矢量喷管可以显著提高飞机的雷达和红外隐身能力。

　　在飞机的隐身性能中，最重要的是雷达和红外隐身，大长宽比的矩形二元喷管容易实现雨后机身的融合，这除了有利于降低飞机尾部底阻外，还有助于减小侧向和后向的雷达反射截面积。就改善红外隐身特性而言，采用二元喷管也较为有利。与基准轴对称的圆形喷管相比，二元喷管排出的燃气气流更易与外界空气掺混，其尾喷流的降温速度要较圆形喷口快的多。如果采用一些特殊的设计，其红外隐身的效果会更好。有的二元矢量喷管在其上下表面装有可转动的叶栅和喷管控制板。在进行推力换向时，用控制板关闭主喷口，并转动叶栅极可达到目的。这时，由于住喷管被关闭，阻挡了涡轮和尾喷管的热辐射，红外信号大大减少。还有一种研究中的带有可调式的双喉道二元喷管，红外隐身性能更佳。实验结果表明，由于中心的契体将发动机大部分的红外辐射都挡住了，在飞机后半球范围内，它可将飞机的红外信息特征减少90%。折合成跟踪距离，则可减少45%。

　　美国的F—22飞机之所以具有良好的雷达和红外隐身性能，这与其发动机上装有二元矢量喷管是分不开的。

五、缩短起降距离

　　良好的短距起降性能可降低飞机对机场的依赖程度，提高战斗机的地面生存力、机动作战能力和快速反应能力。所以。缩短战斗机的起降滑跑距离，一直是飞机设计师孜孜追求的目标。在第四代战斗机的战术技术指标中，短距起降性能是一条重要的要求，而利用推力矢量技术，可以明显地改善战斗机精确着陆的能力，并大大缩短其起飞和降落时的滑跑距离。

　　在这方面最为典型的事例，是美国人研制的F—15S/MTD验证机。该机经过改装，用具有推力矢量功能的二元喷管取代了普通的圆形喷管，并在进气道的两侧，加装了一对全动前翼。其飞行操纵和发动机控制系统也进行了适当的调整和更新。该机在起飞滑跑时依靠推力转向装置的帮助，能使配平胜利增大，机头迅速抬起，只滑行231米即可离地。与常规性的F—15A和F—15C战斗机相比，它的起飞滑跑距离可减少29~60%。F—15S/MTD验证机在着陆时，利用先进的导航系统、电传操纵系统和推力转向/反推力装置，可以实现500米以下的小场地内精确着陆。

六、推力矢量喷管存在的问题

　　装有推力矢量喷管的战斗机也存在一些问题，例如，这类喷管结构和控制比较复杂，重量比较大，造价相当高；需要采用专门的控制系统，通过全权限、多余度、数字式电传操纵方式来协调气动舵面、推力矢量喷管的偏转和发动机的工作；需要有专门的飞行显示装置；矩形的二元喷管的内流阻力比较大，发动机的推力会有一定的损失；一些活动部件要在高温、高压的恶劣环境下工作，需要采用特殊的材料并配备散热系统，即使这样，其使用寿命也比较低；推力矢量系统必须高效、高可靠，因为一旦发生故障，飞机将难以控制，而长时间的可靠性又很难做到。为安全起见，必须为装有推力矢量技术系统的飞机，配备永久性的防螺旋装置。
目前，除美国、俄罗斯外，英国、法国、德国和以色列等国家都加强这方面的研究，以期发扬其长处，克服其不足，使这项技术趋于成熟，尽早应用于新一代战斗机上。美国的F—22、俄罗斯的苏—37已经成功地配置了推力矢量喷管。开发中的美国的F—35、俄罗斯的苏—47等新型战斗机也将采用这项技术。

　　从发展趋势来看，推力矢量控制技术在未来战斗机上应用将从目前具有部分矢量功能向着完全矢量化飞机（Pure Vectored Aircraft简称PVA）的方向发展。但需要在气动、材料、结构以及控制等方面进行综合研究，开发出先进的飞机/发动机/矢量喷管一体化控制系统。
可以预言：21世纪的战斗机由于采用推力矢量技术，将会使空战形式变得更加复杂，空中格斗变得更加激烈和精彩纷呈。