矢量喷管技术简介
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矢量喷管技术简介
关键词：矢量喷管；关键技术；分类；发展趋势
一、 引言
随着燃气涡轮发动机的发展，矢量喷管得到了较多的应用。除了为飞机提供前进的推力外，还要在战斗机俯仰、偏航、横滚和需要反推力时提供内部推进力，以取代飞机舵面产生的外部气动力实现飞机控制，进而提高飞机的机动性能，这是21世纪战斗机发展的新动向，也是一种机遇和挑战。
具有矢量推进的飞机，一般具有短距/垂直起落和超敏捷的性能，因而矢量推进已成为新一代先进战斗机的基本要求和标准技术。下面列两组数据，让大家直观了解：
某飞机采用和不采用推力矢量技术时的起飞滑行距离
推力矢量情况 抬前轮 起飞离地
速度/（m/s) 时间/s 距离/m 速度/（m/s) 时间/s 距离/m
不采用，无前翼 88.5 15.65 752 93.7 16.85 861
采用，无前翼 65.4 10.60 361 76.1 12.80 516
采用，有前翼 65.4 10.60 361 76.1 12.50
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推力矢量对飞机爬升性能的影响
状态 无推力矢量 有推力矢量
法向过载 角速度/(°)/s 法向过载 角速度/(°)/s
高度0km, Ma=0.3 1.21 1.14 1.49 2.71
高度3km, Ma=0.4 1.49 2.08 1.84 3.59
高度5km, Ma=0.6 2.52 4.44 3.13 6.32
相信数据已经让大家折服了，下面具体介绍。
二、 矢量喷管的分类
(一) 收—扩喷管
从常规不加力涡喷发动机开始就有固定收敛喷管，接着出现了加力涡喷/涡扇发动机的收—扩喷管，之后发展出全程可调收—扩喷管。
60年代出现的“鹞”式飞机的“飞马”发动机，喷管可转向90°，用以产生垂直方向的推力，做垂直起降战斗机的推进动力，甚至可以后退飞行。但是在当时的技术条件下，发动机的推重比较小，主动控制技术发展比较落后。因此，具有垂直起降能力的飞机往往存在飞机有效载荷低，作战半径小，不能进行超声速飞行和飞行员操纵复杂等缺点。
(二) 二元和轴对称矢量喷管
有通过偏转鳞片改变气流方向的二元矢量喷管（如图1 所示）和在常规收—扩喷管的基础上研究的轴对称俯仰/偏航 矢量喷管（如图2所示）。
二元矢量喷管，是利用安装在发动机末端的上下两个板形构件的上下偏转，实现改变排气气流的方向的。该技术已在F—22/F119上采用。采用该技术后，不仅发动机的格斗性能大大提升，而且还具有良好的隐身性能。同时，由于后部的外廓尺寸扁平，大大降低了后机身阻力，从而使F—22/F119具有极好的过失速超机动性，超声速巡航能力和短距起降能力。并且是目前，唯一的一种实现超声速巡航的歼击机。归纳下，有点有：（1）改善大
迎角和低动压条件下战斗机的机动性和操纵性。（2）大角度俯冲时，可提高武器投射精度，飞行中可利用反推力提高飞机的纵向灵活性。 （3）双座战斗机采用二元喷管后，与机体尾部匹配较好，可降低亚声速和跨声速的巡航阻力。 （4）可降低红外信号和雷达信号强度，提高隐身能力。 （5）缩短起飞和着陆距离。缺点是结构笨重，在单发情况下，只能提供俯仰力矩而不能提供偏航力矩。
鉴于以上缺点，美国GE公司早在20世纪80年代末，开始研究轴对称式的可做360°转动的推力矢量喷管——轴对称矢量喷管。
轴对称矢量喷管的主要特点是完全保留了轴对称收扩式喷管的良好气动性能，只在结构上扩展了扩张段的功能，使之既产生超声速气流，又能按飞行所需偏转气流方向，该方案的主要优势在于：飞机不需要做较大的改装即可实施矢量推进;新旧飞机都可安装，可最大限度的减少飞机的风险，很容易在现役飞机上作出技术的验证；气流偏转是在扩张段内实现的，气动载荷比较小；因偏转是在A9出口截面实现的，相对飞机的安装质心最远，新增力矩最大，矢量效果明显。该排气喷管的矢量偏转主要由A9转向控制环操纵。由于A9是单独控制的，因此容易得到最佳的超声部分的膨胀比，这可以充分利用现代机械式喷管潜在的能力，并且对于飞机的隐身和超声速巡航非常有益。
(三) 燃气舵—燃气流在外部转向形式
将一个或多个偏转舵面置入飞机尾部喷管外部的燃气流中，从而产生俯仰/偏航和横滚矢量推力。仅在美国F/A—18大迎角研究机（HARV）和美、德联合研
究机X—31上研究机动性能，由于控制等问题短期难以解决，未投入使用。
(四) 球面收敛调节板推力矢量喷管（SCFN）
普·惠公司发展了俯和反推力多功能二元矢量球面收敛调节板推力矢量喷管（如图3所示），现已完成初步研究和地面验证型喷管的详细设计。
这种多功能矢量喷管除上述优点外，还可以减小战斗机的尺寸和重量，提高燃烧效率，从而大大增加战斗机的作战有效性、经济性和使用寿命。
三、 矢量喷管的关键技术
（1）常规轴对称收—扩喷管设计使用技术
（2）运用计算流体力学进行矢量喷管的内流气动计算
（3）矢量喷管结构、强度、刚度和寿命的设计计算问题
（4）冷却系统设计和高温封严技术
（5）矢量推力控制技术和作动系统
（6）耐高温、轻重量喷管结构材料——陶瓷、碳—碳复合材料
（7）红外抑制方法和红外辐射场的研究
（8）矢量喷管地面和飞行试验与测试技术
其中，推力矢量控制盒测试技术难度最大
四、 矢量喷管的发展趋势
二元几何可调的矢量喷管由于控制简单，并能产生反推力，对于双发飞机较合适，是目前矢量推进技术的一个重要应用方向。但二元喷管的重量相对较大，有待进一步改进。
扩散段可调的轴对称矢量喷管，虽然不能产生反推力，但由于其结构非常简单，具有重量轻、成本低、继承性好等优点，必将成为现役飞机改装和现阶段单发飞机产生矢量推力的主要技术手段。
未来——射流控制的矢量喷管，号称重量轻、费用低、飞机/推进系统一体化性能好、隐身效果好等许多优点。
