■ 賈東兵/中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所

戰(zhàn)斗機(jī)推力矢量技術(shù)的提出始于20世紀(jì)70年代中期，很快得到業(yè)界的高度關(guān)注并被定義為第四代戰(zhàn)斗機(jī)必備的四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，近半個(gè)世紀(jì)過(guò)去了，切實(shí)應(yīng)用了推力矢量技術(shù)并裝備使用的只有美國(guó)的F-22戰(zhàn)斗機(jī)。為什么這項(xiàng)備受重視的技術(shù)沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用呢？

推力矢量控制(TVC)是一種依靠噴管直接變換推力方向以提供更強(qiáng)的控制力矩的技術(shù)，可極大地增強(qiáng)戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)效能和機(jī)動(dòng)性。簡(jiǎn)言之，推力矢量技術(shù)就是用直接改變推力方向的辦法獲得驅(qū)使飛機(jī)轉(zhuǎn)向的側(cè)向力。推力矢量技術(shù)的出現(xiàn)使噴氣式飛機(jī)——主要是戰(zhàn)斗機(jī)，具有了前所未有的機(jī)動(dòng)性，或者說(shuō)更高的敏捷性，而且還獲得了能夠以更短的滑跑距離起飛的短距起飛能力，更進(jìn)一步還可以減小甚至取消飛機(jī)氣動(dòng)舵，從而降低飛機(jī)氣動(dòng)阻力，減輕飛機(jī)質(zhì)量。因此，推力矢量技術(shù)毫無(wú)疑問(wèn)是一種先進(jìn)的噴氣戰(zhàn)斗機(jī)控制技術(shù)。

推力矢量技術(shù)的必要性

對(duì)于現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)是否需要應(yīng)用推力矢量技術(shù)，一直是一個(gè)有爭(zhēng)議的話題。基于前述那些明顯可知的優(yōu)點(diǎn)，極力贊成的自不必贅述，反對(duì)推力矢量技術(shù)應(yīng)用的主要理由不外乎以下幾個(gè)觀點(diǎn)。

一是現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)的主要手段是用射程至少以千米計(jì)的導(dǎo)彈進(jìn)行遠(yuǎn)距離攻擊，雙方攻防甚至在超視距狀態(tài)就已經(jīng)完成，進(jìn)入格斗的可能性極小，機(jī)動(dòng)性、敏捷性對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)來(lái)講意義不大。

二是現(xiàn)有實(shí)施推力矢量技術(shù)的矢量噴管技術(shù)難度很高，與已經(jīng)成熟應(yīng)用的傳統(tǒng)噴管相比，還帶來(lái)了質(zhì)量增加、效率降低、可靠性降低和壽命縮短等問(wèn)題，應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)的綜合效益低，得不償失。

三是過(guò)于敏捷的戰(zhàn)斗機(jī)，使飛行員的操縱難度明顯增加。激烈的機(jī)動(dòng)過(guò)載很有可能超過(guò)人的抗過(guò)載能力，最終大大增加飛行中操縱失誤的概率，降低作戰(zhàn)效能。

形形色色的矢量尾噴管

這些顧慮都是有一定道理的，但卻未免有所偏頗。

現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)的主戰(zhàn)武器雖然是導(dǎo)彈，但幾乎都同時(shí)配置航炮，就是為了在導(dǎo)彈對(duì)攻無(wú)效時(shí)可以進(jìn)入格斗。對(duì)于現(xiàn)代強(qiáng)調(diào)隱身能力并配備多種導(dǎo)彈干擾手段的現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)來(lái)講，在技術(shù)水平相當(dāng)、數(shù)量相當(dāng)?shù)牡谝徊▽?dǎo)彈對(duì)攻中生存下來(lái)的概率并不會(huì)很低，以現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)的速度，躲過(guò)第一波導(dǎo)彈，基本上就進(jìn)入了格斗距離，那么格斗將不可避免。

二是矢量噴管技術(shù)難度很高，與已經(jīng)成熟應(yīng)用的傳統(tǒng)噴管相比，還帶來(lái)了可觀的增重、明顯的效率降低、可靠性降低和壽命縮短等問(wèn)題，這確實(shí)是客觀存在的。其中，因功能增加所帶來(lái)的質(zhì)量增加和效率降低是科學(xué)的必然，可以靠采用先進(jìn)的輕質(zhì)材料、更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流路造型優(yōu)化等方法使其降低到可以接受的程度；至于技術(shù)難度以及可靠性壽命問(wèn)題反倒是不存在的問(wèn)題。什么是技術(shù)？技術(shù)的原始概念就是熟練，技術(shù)難度高其實(shí)就是不熟練，經(jīng)過(guò)有限的“設(shè)計(jì)—驗(yàn)證—完善—再驗(yàn)證”的循環(huán)，技術(shù)成熟度必然步步提升，最終成為成熟技術(shù)，然后所謂技術(shù)難度高以及相應(yīng)帶來(lái)的可靠性低、壽命短的問(wèn)題自然會(huì)得到解決。

操縱難的問(wèn)題則更好解決?，F(xiàn)代的機(jī)載控制器的計(jì)算能力日益強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)非常好的主動(dòng)控制，輔助飛行員進(jìn)行更好地操縱并保證飛行過(guò)載在安全范圍內(nèi)，良好的飛行控制邏輯可以將飛行員的機(jī)動(dòng)意圖以更優(yōu)化的方式分配給舵面和矢量噴管，使飛行員更加自如地飛行。

此外，無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)已經(jīng)逐步進(jìn)入未來(lái)主戰(zhàn)飛機(jī)的序列，配備推力矢量技術(shù)的無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)擺脫了飛行員生理局限，將有更多的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作出現(xiàn)，大大增強(qiáng)戰(zhàn)斗效率和作戰(zhàn)效能。

總之，為現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)配備推力矢量技術(shù)的必要性是毋庸置疑的。

推力矢量控制的關(guān)鍵技術(shù)

矢量噴管是推力矢量控制技術(shù)的執(zhí)行裝置，是技術(shù)難度最大的關(guān)鍵技術(shù)之一。

矢量噴管的技術(shù)難度不僅在于其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)需要精細(xì)巧妙的設(shè)計(jì)（以在有限的外廓和內(nèi)部氣流通道限制下實(shí)現(xiàn)通道尺寸調(diào)節(jié)和方向變換這樣的復(fù)雜功能），還在于這樣復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)要在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫燃?xì)饬鞯臎_刷下可靠工作。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)不僅排氣溫度高，高工作狀態(tài)下的振動(dòng)也是極大的。強(qiáng)大的振動(dòng)導(dǎo)致高強(qiáng)度的動(dòng)載荷，對(duì)機(jī)械產(chǎn)生破壞作用，嚴(yán)重影響機(jī)械的壽命和穩(wěn)定工作的能力，而運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副對(duì)振動(dòng)尤其敏感。可想而知，在不可避免的高溫和振動(dòng)環(huán)境下工作的矢量噴管的設(shè)計(jì)是對(duì)設(shè)計(jì)人員的極大挑戰(zhàn)。

矢量噴管的技術(shù)方案

矢量噴管的技術(shù)方案有很多種都經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上的整機(jī)試車(chē)驗(yàn)證和科研性質(zhì)的飛行演示驗(yàn)證試飛，但確實(shí)在裝備上應(yīng)用形成戰(zhàn)斗力的，目前僅有美國(guó)第四代（美國(guó)稱(chēng)五代）戰(zhàn)斗機(jī)F-22的F119發(fā)動(dòng)機(jī)的二維矢量噴管。此外，除了俄羅斯配裝軸對(duì)稱(chēng)矢量噴管的蘇式系列戰(zhàn)斗機(jī)少量出售給印度（據(jù)說(shuō)壽命很短，性能不可靠），其余的技術(shù)方案基本上沒(méi)有裝備服役。此外，至少還有3～5種特點(diǎn)各異的新型矢量噴管在探索研究中。這些不同類(lèi)型的矢量噴管有截面是圓的（軸對(duì)稱(chēng)型）、有截面是方的（二維型）、有擴(kuò)張段偏轉(zhuǎn)的、有整個(gè)噴管偏轉(zhuǎn)的等，到底哪一種是最好的？其實(shí)很難給出一個(gè)唯一確定的答案。

矢量噴管的主要技術(shù)指標(biāo)

矢量噴管的標(biāo)志性參數(shù)是最大偏轉(zhuǎn)角度，這個(gè)角度大體在14°～20°，最大的為23.5°，這個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)到底應(yīng)該是多少，也一直存有爭(zhēng)議。

假設(shè)實(shí)施推力矢量時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)不變（這是基本能夠得到保證的），矢量噴管的推進(jìn)效率也不變（實(shí)際上會(huì)有1%～2%的損失），理論上推力方向變化后的分力是：

前向推力=發(fā)動(dòng)機(jī)推力×cos（偏轉(zhuǎn)角度）；

側(cè)向力=發(fā)動(dòng)機(jī)推力×sin（偏轉(zhuǎn)角度）。

按照這個(gè)公式，矢量偏轉(zhuǎn)角度和前向推力損失之間的關(guān)系可見(jiàn)表1。

由表1可知，偏轉(zhuǎn)角度為20°時(shí)會(huì)產(chǎn)生6%的前向推力損失，已經(jīng)需要審慎考慮得失了，25°損失接近10%，基本上是不可接受的。除此之外，角度增大，則載荷增大，就意味著需要增加結(jié)構(gòu)承載面積，增重不可避免。所有這些不利因素均須飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)總體進(jìn)行綜合平衡，無(wú)論如何，單純地提出較大的偏轉(zhuǎn)角度要求是不合適的。

表1 矢量偏角與前向推力損失的關(guān)系

矢量噴管技術(shù)方案的分析比較

在常見(jiàn)的幾種矢量噴管技術(shù)方案中，美式的二維矢量噴管的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)本質(zhì)上是平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可動(dòng)構(gòu)件數(shù)量很少，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)難度相對(duì)簡(jiǎn)單，因而較為可靠，冷卻系統(tǒng)、密封系統(tǒng)的構(gòu)造以及為隱身而進(jìn)行的形狀修整均比較容易實(shí)施。然而，為保持方形截面在壓力作用下不發(fā)生大的變形而進(jìn)行的剛度設(shè)計(jì)難度比較大，加之周長(zhǎng)增加使結(jié)構(gòu)質(zhì)量明顯增加，形狀由圓轉(zhuǎn)方以及浸潤(rùn)面積的增加使流動(dòng)損失加大，整體效率是偏低的。

俄式俯仰矢量噴管是將整個(gè)噴管安裝在一個(gè)空心的球形關(guān)節(jié)上。噴管本體是與其原型噴管一樣的圓截面可調(diào)收擴(kuò)噴管，通過(guò)球關(guān)節(jié)的擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)推力方向的改變。由于沒(méi)有由圓轉(zhuǎn)方產(chǎn)生的額外流動(dòng)損失，故而推進(jìn)效率比較高，通過(guò)球心的氣流偏轉(zhuǎn)效率幾乎達(dá)到100%；且偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不平衡力直接通過(guò)球心，對(duì)驅(qū)動(dòng)不產(chǎn)生直接的載荷，總的驅(qū)動(dòng)功率需求較低。但是，空心球關(guān)節(jié)的尺寸非常大，帶來(lái)了兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)：一是噴管運(yùn)動(dòng)部分非常長(zhǎng)，破壞了原有飛機(jī)后機(jī)身的完整性，給飛機(jī)后機(jī)身的設(shè)計(jì)帶來(lái)了額外的難度；二是空心球關(guān)節(jié)的雙層結(jié)構(gòu)增加了很多質(zhì)量，即使相對(duì)二維矢量噴管也沒(méi)有多少質(zhì)量上的優(yōu)勢(shì)。

軸對(duì)稱(chēng)矢量噴管專(zhuān)指截面為圓形、擴(kuò)張段偏轉(zhuǎn)的矢量噴管。這種矢量噴管的推進(jìn)效率與標(biāo)準(zhǔn)的收擴(kuò)噴管相當(dāng)，效率高，運(yùn)動(dòng)部分尺度小，對(duì)飛機(jī)后機(jī)身的影響幾乎可以忽略。采用這種方案可以設(shè)計(jì)出與標(biāo)準(zhǔn)收擴(kuò)噴管外部輪廓相當(dāng)?shù)氖噶繃姽?，與原配噴管原位換裝，使既有機(jī)型擁有推力矢量技術(shù)，迅速提升戰(zhàn)斗力，因而曾受到業(yè)界廣泛的關(guān)注，各國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)紛紛投入相當(dāng)多的力量對(duì)其進(jìn)行研究。這類(lèi)矢量噴管大同小異的技術(shù)方案最多，各國(guó)加起來(lái)差不多有五六種。然而，這類(lèi)矢量噴管同樣有明顯的缺點(diǎn)，即運(yùn)動(dòng)部分是一套空間多自由度復(fù)式連桿機(jī)構(gòu)：運(yùn)動(dòng)構(gòu)件少則200～300個(gè)、多則400～500個(gè)；運(yùn)動(dòng)副數(shù)量在400個(gè)左右，運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜。其設(shè)計(jì)難度讓多數(shù)人望而卻步，特別是可靠性設(shè)計(jì)難度極高，實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)壽命的難度極大。

球面收斂二維矢量噴管氣動(dòng)性能相對(duì)較好，偏轉(zhuǎn)效率近乎100%；且偏轉(zhuǎn)力通過(guò)球心，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率需求較??；由球形過(guò)渡到方形，長(zhǎng)度較短，增重較少。但其球形動(dòng)殼體是一種邊緣受多個(gè)集中載荷的非完整薄壁體，受力情況與結(jié)構(gòu)形狀極端不和諧，強(qiáng)度剛度設(shè)計(jì)難度極大，很容易抵消質(zhì)量增加較少的優(yōu)勢(shì)。

固定幾何氣動(dòng)矢量噴管，顧名思義就是在結(jié)構(gòu)固定的噴管上用射流/引氣的方式對(duì)噴管的氣動(dòng)流通面積和噴流方向?qū)嵤┱{(diào)控。因?yàn)闆](méi)有運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，這種方案被認(rèn)為可能有減少60%～70%質(zhì)量的潛力，并具有非常好的可靠性和壽命預(yù)期值。但是，很少有人提及如何對(duì)這種噴管進(jìn)行控制，無(wú)論是射流還是引氣，都需要布置控制流的氣流通道，要進(jìn)行有效的控制則在氣流通道里布置控制所需的控制閥，所有這些裝置都要消耗前述質(zhì)量減輕的潛力和可靠性，更不用說(shuō)需要進(jìn)行面積控制時(shí)所需的大量的控制流量以及非常低的推進(jìn)效率。所以固定幾何氣動(dòng)矢量噴管是否如想象的那樣具有如此之好的優(yōu)勢(shì)，是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。

總之，不同的矢量噴管有其不同的特點(diǎn)（見(jiàn)表2），關(guān)于哪一種矢量噴管是優(yōu)選方案的爭(zhēng)論會(huì)一直存在，永遠(yuǎn)沒(méi)有唯一答案。選擇什么樣的矢量噴管實(shí)施方案更主要還是在于飛機(jī)的任務(wù)需求。

表2 幾種典型的矢量噴管特點(diǎn)對(duì)比

結(jié)束語(yǔ)

總而言之，推力矢量技術(shù)對(duì)于噴氣戰(zhàn)斗機(jī)來(lái)講是一項(xiàng)具有很多誘人之處的先進(jìn)技術(shù)，但是否采用該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)在任務(wù)需求和實(shí)施代價(jià)之間進(jìn)行平衡。矢量噴管的實(shí)施方案和最大偏轉(zhuǎn)角度則應(yīng)以飛發(fā)一體化設(shè)計(jì)角度進(jìn)行綜合平衡后方可選擇和確定。