关键词：矢量推力 喷管 二元喷管 发展
1绪论
飞机推力矢量控制技术赋予了战斗机前所未有的机动性和敏捷性，大大提高了作战效能和生存能力，而推力矢量喷管是实现推力矢量控制的核心部件，推力矢量喷管的优劣已成为衡量发动机技术水平的重要标志。
2 矢量推力技术简介
2.1 矢量喷管定义及分类
矢量喷管又称推力转向喷管，是一种可以改变排气方向的喷管，它除了能产生飞机前进的推力外，还能产生用于飞行控制的俯仰、偏航和横滚力矩的推力矢量，其有效矢量角一般不大于20°。
矢量喷管按功能可分为单轴矢量喷管和多轴矢量喷管。单轴矢量喷管只能提供俯仰推力矢量，多轴矢量喷管可提供俯仰、偏航、横滚及反推力等两种以上的推力矢量；按横截面形状可分为轴对称矢量喷管和非轴对称矢量喷管；按气流偏转部位可费为内流偏转形式和外流偏转形式；还有一种从90年代开始研究的射流控制矢量喷管。
目前已进入工程研究阶段或投入使用的矢量喷管主要有四种技术方案，即二元收-扩矢量喷管、轴对称矢量喷管、球面收敛段矢量喷管和燃气舵。
2.1 矢量喷管应用优势
矢量喷管的优势具体表现在:提高飞机的机动性和敏捷性,甚至过失速状态的机动能力，可迅速改变机头方向,对敌机进行射击,可作高速转弯,在空战中占据有利位置; 缩短起飞和着陆滑跑距离；减少飞机的气动舵面,减小尾翼,甚至成为无尾飞机,从而减少阻力,减轻重量;减少红外辐射,增加隐身能力;增加了短距起落能力;提高了生存能力和战斗能力。
3 矢量推力技术的发展
3.1 美国推力矢量喷管的发展
3. 1.1 P&W公司轴对称推力矢量喷管的发展
P&W公司的轴对称矢量喷管为俯仰/偏航平衡梁喷管(P/Y BBN),是从F100发动机的喷管改进而来的。它保持了平衡梁的优点,因而是一个能提供最佳外形和性能的重量轻的收敛扩散喷管。P/YBBN通过平衡空气载荷以及在扩散段、收敛段和平衡密封段上采用比强高的材料,使重量较轻。利用冷却空气降低收敛和平衡调节片、收敛同步环和静态结构等喷管各部件的工作温度,从而可以采用低密度材料。收敛作动系统控制喉道面积(A8)和发动机匹配,以使发动机的压比和推力达到最佳。平衡梁方案的革新设计使得A8位置所需的作动力减至最小。推力矢量是通过一个同步环、一个扩散作动系统和一个后部固定结构件来对扩散调节片进行多向控制来实现的。
3. 1.2 P&W公司第二代二元推力矢量喷管的发展
80年代中期P&W公司又设计了具有俯仰、偏航、反推力能力的二元喷管,即球形收敛调节片喷管(SCFN)。SCFN的出口是矩形,铰接部位是球形的,外部几何形状很特别。SCFN可装在万向接头上,用球形连接方式实现俯仰和偏航±20°。为了避免热燃气从连接处泄漏,采用了刷式密封。SCFN俯仰推力矢量是通过控制作垂直运动的调节片(偏转扩散调节片)来实现的。偏航推力矢量是通过整个喷管后段绕反推力喷管后部的支点转动来实现的;反推力是通过收拢收敛调节片,打开发动机喷管前端沿周向等距分布的4个前倾45°的排气口来实现的。垂直起落模态是将排气引人集气管产生垂直推力。
3.1.3 GE公司轴对称推力矢量喷管的发展
GE公司开展推力矢量技术的研究已有近30年的历史。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆80年代中期在Fl0l发动机喷管的基础上利用以前积累的矢量喷管方面的经验研制了轴对称推力矢量喷管(AVEN)。AVEN由3个A9/转向调节作动筒、4个A8/喉道面积调节作动筒、3个调节环支承机构、喷管控制阀以及一组位于调节片之间的涂有耐热涂层的扩散密封片等构成。
3.2 俄罗斯推力矢量喷管的发展
1980年左右,前苏联开始推力矢量技术的研究。1985年留里卡设计局设计了一个平板式二元矢量喷管,并在Cy-27原型机上进行试验,接着又设计了一个轴对称矢量喷管。1989年,留里卡将飞行试验型的二元矢量喷管装在Cy-27·UB-PS的左发上,轴对称矢量喷管装在Cy-27LMK2405的右发上，分别进行了首次飞行。在二元矢量喷管试验中获得了一些有价值的经验,但是留里卡发现轴对称矢量喷管更有前途,因而集中研制轴对称矢量喷管。
3.3 欧洲国家推力矢量喷管的发展
欧洲国家也在积极开展推力矢量喷管的研制工作。1991年,EJ200发动机喷管的研制者西班牙涡轮发动机工业公司开始研究推力矢量喷管技术,1994年启动了一个多轴推力矢量喷管计划,1996年完成了一个全方位轴对称推力矢量喷管的详细设计。1997年,在巴黎航展上首次展出该喷管的全尺寸模型。
法国SNECMA公司90年代初,公布了一个新颖的喷管方案。该装置基本上是一个由凸轮和平衡杆传动的双调节片系统。作动筒操纵平衡杆,平衡杆借助两个凸轮(位于喷管的上部和下部)控制调节片方向。喷管模型重150kg,正方形截面边长为lm,俯仰矢量角为15°~20°。
另外,欧洲国家还与美国进行关于合作研究将来的推力矢量技术的洽商,其内容包括欧共体(德、英、瑞典)参加美国的超音速无尾翼飞机研究计划。该计划是开发用推力矢量技术减小巡航阻力,延长航程,增加有效载荷以及提高飞机机动性的潜力,直到最终生产无尾翼飞机。
3. 4 我国矢量喷管技术的发展
我国矢量喷管研究工作始于上个世纪 80 年代，“七五”期间结合某“进发匹配课题”开展了矢量喷管地面试验，“八五”期间进行了矢量推力对战斗机性能影响分析和吹风试验工作。目前国内围绕航空发动机矢量喷管已开展了大量的研究与试验工作，取得了一批有价值的研究成果。
4 矢量推力技术发展趋势
机械调节式推力矢量喷管的复杂作动部件导致其成本和重量的增加。而采用气流调节式推力矢量喷管可以大大降低喷管的成本和重量，且系统的可靠性、可维修性和使用寿命都将得到极大的改善。气流调节式推力矢量技术是通过二次流抽吸或注入使气流与气流之间相互作用，迫使尾喷气流偏转来实现矢量推力。气流调节式推力矢量喷管产生推力矢量主要有以下三种方式：（1）气流注入。在喷管扩散段管壁上开缝，不对称注入二次流，在喷管内产生斜激波，迫使主流偏转，从而产生推力矢量。（2）反流控制。在原有喷管的外面加一层外套喷管，把外套喷管与原有喷管之间的空间隔成上下左右几部分，需要对喷管主流进行控制时，使用一台泵来抽吸其中的一部分空间，在外套管内产生逆向二次流。逆向二次流的存在使原喷管出口的压力分布不均（逆向二次流处的压力降低，主流向二次流方向偏转），从而达到矢量控制的目的。（3）主动控制。在主喷管出口位置整合一个零流量作动装置。这种装置有一个空腔，在空腔中有一层薄膜。通过对薄膜施加一定频率的作动使周围的气流失稳，产生强烈的涡和卷入，形成一个较大的低压区，使主流产生偏转，从而产生推力矢量。
5 结论
推力矢量喷管技术对提高军用飞机的综合性能至关重要，同时军用飞机隐身技术是当今世界各国重点发展的军事航空技术,在未来战争中占有重要的战略地位。国内外对此日益重视。国外为此作了大量的实验研究，设计生产了各种形式的矢量喷管，取得了长足的进步。借助于国外的先进经验，在现有技术的基础上，发展先进实用的推力矢量喷管技术成为我们当前的紧迫任务。
论文作者:唐艳,张元庆,王天阳
论文发表刊物:《科学与技术》2019年19期
论文发表时间:2020/4/28
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