軍事電子(4)

作者：撒旦　

　　推力矢量技術（Thrust Vectoring Technology簡稱TVT）是當代最新的航空高科技之一。由于該項技術可以加強飛機的氣動/推進系統一體化設計，改善飛機的操縱效率和控制能力，顯著提高其機動性，因而它將成為21世紀戰斗機必須具備的一項標準技術。

　　推力矢量技術又稱推力矢量控制，其特點是：動力裝置除為飛行器提供前進的推力外，還可以通過改變發動機推力方向和大小，獲得所需的控制力矩，使飛行器做預期的俯仰、偏航、滾轉和減速運動。在某些狀態下，其對飛行器的控制效率要遠遠高于依靠外部氣動來進行操縱的活動舵面。

　　TVT是一項與自動控制系統、氣動/推進系統、新型材料等有關綜合性技術，它主要通過偏轉推力矢量噴管來實現對飛行器的控制。推力矢量噴管目前主要有二元（矩形）和軸對稱（圓形）兩種。其基本原理是通過改變噴管的方向，使發動機推力發生偏轉，以產生矢量力和力矩，來滿足改變飛行器氣動特性和飛行姿態的要求。

　　推力矢量技術對未來戰斗機在過失速機動性、常規機動性、敏捷性、隱身性能和短距起降性能等方面有著顯著的影響。

一、實現過失速機動

　　近年來，為提高戰斗機的機動性，國外廣泛開展了對過失速機動的研究，以期擴大飛行包線的左右界，為飛行員快速調轉機頭和發射導彈創造條件。目前，大多數第三代戰斗機在超過失速迎角狀態下都無法實施機動。因為飛機在過失速范圍內，其操縱面基本失效，飛機的氣動力處于非線性狀態。例如，F—16戰斗機的限制迎角為24度左右，諾迎角達到60度，就會陷入深度失速區，飛機將無法改出。然而，未來戰斗機的戰術技術又要求能擴大使用迎角范圍，甚至達到90度或更高，只有在過失速迎角范圍內仍然迅速指向敵機并射擊，才能保證戰斗機發揮其最高格斗能力。因此，當今各大航空大國都在積極研究適應戰斗機過失速機動的相應措施。推力矢量技術將先進的起動力、飛行控制以及發動機推力技術等融為一體，采取飛機/發動機/飛控系統/火控系統一體化設計，從而使戰斗機的過失速機動成為現實。

　　美國的F—22先進戰術戰斗機采用新研制的二元噴口，可進行兩個方向的推力矢量變化，從而極大地提高飛機的過失速機動能力。F—22Z在迎角40度時可繞速度矢量軸做360度滾轉；在飛行速度及小（110千米/小時）的情況下，以60度迎角仍可以在1秒內滾轉30度，而無任何控制上的問題，表現了前所未有的過失速機動能力。而美德聯合研制的X—31高機動性驗證機以及俄羅斯蘇—37戰斗機在航展上表演的過失速機動動作，至今仍令人回味無窮。

二、提高常規機動性

　　飛機的機動性通常是指在舵面偏轉、油門變化時所產生的力和力矩作用下，在空間占據所需位置以及改變速度大小和飛行方向的能力。德國梅賽事施密特-伯爾克-布洛姆公司曾制定出對新一代戰斗機機動性的戰術技術指標。其中，特別強調飛機在高亞音速和超音速飛行中能迅速改變方向，以提高空戰時先發制人的能力。實驗飛機的試飛表明：在M數為0.8的條件下，只要戰斗機的轉彎角速度占有3度/秒的優勢，就可以在近距空戰穩操勝券。目前，第三代戰斗機的最大瞬間盤旋角速度大約在20~26度/秒。除非改變飛機的構型，使空氣動力性能得根本性改善，否則它們的瞬時盤旋角速度值不可能進一步提高。

　　在這種情況下，采用推力矢量技術不失為一種解決問題的非傳統辦法。這是因為配備有推力矢量裝置的戰斗機，在飛行過程中偏轉矢量噴管后，可使飛機獲得額外的起動力和力矩，令飛機的機動性大為改觀，在近距空戰占有優勢。

　　例如，采用二元推力矢量噴管的F—15S/MTD（短距起降/機動技術驗證機），在噴管向下偏轉時，由于產生了較大的推力升力，并在機身上誘導出“超環流”，因而，其最大升力系數（Cymax）要比F—15C提高78%；在M數1.4，高度12200米時，依靠推力矢量噴管可使其滾轉速率提高53%；M數0.3，高度6100米時，其爬升率可提高37%；在M數1.4，高度12200米時，其加速性可提高30%巡航距離增加17%。當二元噴口大開反推力裝置，飛機的減速率可改善72%。從上述對比中不難看出：采用推力矢量技術對飛機機動性的影響是十分顯著的。

三、增強敏捷性

　　敏捷性是衡量第四代戰斗機作戰水平的一項重要參數。國外進行的一系列空戰模擬實驗表明：改善現代戰斗機的瞬態敏捷性，可使飛機在整個包線內提高俯仰、滾轉和偏航速率，相當于將戰斗機的推力增加30%或翼載減小23%。由此而獲得綜合作戰效能，要比具有同樣技術水平，但敏捷性能較低的戰斗機高的多，其空戰兌換率可提高50%以上。在防御性空戰中，高敏捷性加上機載全方位導彈告警系統合誘餌裝置，可使戰斗機迅速擺脫敵方的攻擊并取得空戰主動權。另外，高敏捷性也是對付地面防空武器的有效手段之一，有助于提高飛機的低空生存力。
所謂敏捷性，是指飛機迅速改變其速度矢量（或機身矢量）運動方向的能力。駕駛員手腕一動，飛機就立即繞機體軸旋轉，做出相應的動作，達到所需的狀態，這在近距空戰中爭取主動非常重要。

　　F—22是第四代戰斗機典型的代表，其高敏捷性主要是利用推力矢量技術獲得的。該機的俯仰控制可由推力矢量噴管和平尾合作完成，飛行控制系統不存在迎角限制，能在所有迎角范圍內對俯仰方向進行精確控制。據稱，F—22的俯仰速率可高達60度/秒。在迎角大于30度時利用推力矢量系統和差動平尾進行偏航控制，可達到更大的滾轉速率。在20度迎角下，其滾轉速率從50度/秒增至100度/秒。在超音速狀態下，二元推力矢量噴管和平尾交聯，共同進行操縱，可使飛機在M＞1.4時的盤旋角速度提高30%。

　　F—22具有的敏捷性品質，被美國的試飛員精辟地總結為：“它總是做我想要它做的事，從不做我不想讓它做的任何事情。”

四、改善隱身性能

　　隱身性能不僅有利于提高飛機的生存力，也有利于達成攻擊的突然性。對新一代戰斗機來說，具備“先敵發現、先敵攻擊”的超視距作戰能力是極為重要的。采用二元推力矢量噴管可以顯著提高飛機的雷達和紅外隱身能力。

　　在飛機的隱身性能中，最重要的是雷達和紅外隱身，大長寬比的矩形二元噴管容易實現雨后機身的融合，這除了有利于降低飛機尾部底阻外，還有助于減小側向和后向的雷達反射截面積。就改善紅外隱身特性而言，采用二元噴管也較為有利。與基準軸對稱的圓形噴管相比，二元噴管排出的燃氣氣流更易與外界空氣摻混，其尾噴流的降溫速度要較圓形噴口快的多。如果采用一些特殊的設計，其紅外隱身的效果會更好。有的二元矢量噴管在其上下表面裝有可轉動的葉柵和噴管控制板。在進行推力換向時，用控制板關閉主噴口，并轉動葉柵極可達到目的。這時，由于住噴管被關閉，阻擋了渦輪和尾噴管的熱輻射，紅外信號大大減少。還有一種研究中的帶有可調式的雙喉道二元噴管，紅外隱身性能更佳。實驗結果表明，由于中心的契體將發動機大部分的紅外輻射都擋住了，在飛機后半球范圍內，它可將飛機的紅外信息特征減少90%。折合成跟蹤距離，則可減少45%。

　　美國的F—22飛機之所以具有良好的雷達和紅外隱身性能，這與其發動機上裝有二元矢量噴管是分不開的。

五、縮短起降距離

　　良好的短距起降性能可降低飛機對機場的依賴程度，提高戰斗機的地面生存力、機動作戰能力和快速反應能力。所以。縮短戰斗機的起降滑跑距離，一直是飛機設計師孜孜追求的目標。在第四代戰斗機的戰術技術指標中，短距起降性能是一條重要的要求，而利用推力矢量技術，可以明顯地改善戰斗機精確著陸的能力，并大大縮短其起飛和降落時的滑跑距離。

　　在這方面最為典型的事例，是美國人研制的F—15S/MTD驗證機。該機經過改裝，用具有推力矢量功能的二元噴管取代了普通的圓形噴管，并在進氣道的兩側，加裝了一對全動前翼。其飛行操縱和發動機控制系統也進行了適當的調整和更新。該機在起飛滑跑時依靠推力轉向裝置的幫助，能使配平勝利增大，機頭迅速抬起，只滑行231米即可離地。與常規性的F—15A和F—15C戰斗機相比，它的起飛滑跑距離可減少29~60%。F—15S/MTD驗證機在著陸時，利用先進的導航系統、電傳操縱系統和推力轉向/反推力裝置，可以實現500米以下的小場地內精確著陸。

六、推力矢量噴管存在的問題

　　裝有推力矢量噴管的戰斗機也存在一些問題，例如，這類噴管結構和控制比較復雜，重量比較大，造價相當高；需要采用專門的控制系統，通過全權限、多余度、數字式電傳操縱方式來協調氣動舵面、推力矢量噴管的偏轉和發動機的工作；需要有專門的飛行顯示裝置；矩形的二元噴管的內流阻力比較大，發動機的推力會有一定的損失；一些活動部件要在高溫、高壓的惡劣環境下工作，需要采用特殊的材料并配備散熱系統，即使這樣，其使用壽命也比較低；推力矢量系統必須高效、高可靠，因為一旦發生故障，飛機將難以控制，而長時間的可靠性又很難做到。為安全起見，必須為裝有推力矢量技術系統的飛機，配備永久性的防螺旋裝置。
目前，除美國、俄羅斯外，英國、法國、德國和以色列等國家都加強這方面的研究，以期發揚其長處，克服其不足，使這項技術趨于成熟，盡早應用于新一代戰斗機上。美國的F—22、俄羅斯的蘇—37已經成功地配置了推力矢量噴管。開發中的美國的F—35、俄羅斯的蘇—47等新型戰斗機也將采用這項技術。

　　從發展趨勢來看，推力矢量控制技術在未來戰斗機上應用將從目前具有部分矢量功能向著完全矢量化飛機（Pure Vectored Aircraft簡稱PVA）的方向發展。但需要在氣動、材料、結構以及控制等方面進行綜合研究，開發出先進的飛機/發動機/矢量噴管一體化控制系統。
可以預言：21世紀的戰斗機由于采用推力矢量技術，將會使空戰形式變得更加復雜，空中格斗變得更加激烈和精彩紛呈。