戰鬥機推力矢量技術淺談

原標題：戰鬥機推力矢量技術淺談

戰鬥機推力矢量技術淺談

遠望智庫高級研究員 劉君

當今世界，戰鬥機技術的發展日新月異，猶如江湖武功，強手如林，各門各派相互借鑒，主要以美國、英法、俄羅斯、中國等航空技術強國為代表，各自都有自己的獨門絕技。在諸多先進技術中，戰鬥機推力矢量技術以其飄逸、凌厲與迅捷，成為先進戰鬥機克敵制勝的「絕世劍術」，受到主要航空強國的青睞與高度重視。

中國人

有了自己的推力矢量機

一、技術定義與收益

戰鬥機在空中能夠安全飛行最重要的限制之一就是迎角限制。總所周知，當超過失速迎角後，氣動特性突變，是基本的物理規律，導致戰鬥機難以控制，容易進入危險狀態甚至失控，成為懸掛在戰鬥機飛行員頭頂的達摩克里斯之劍。雖然使用電傳操縱系統後，通過採取主動控制將戰鬥機限制在失速區域以外，而超過失速迎角的區域則作為「飛行禁區」被嚴格禁止進入。

為了突破飛行禁區，充分發揮戰鬥機最大潛能，使飛機能夠自由翱翔，為此無數設計師進行了各種方向的嘗試，包含了新的控制機理、控制策略與控制方法，而採用推力矢量控制技術就是解決上述固有缺陷的有效途徑。

戰鬥機推力矢量技術是根據飛行與作戰需要，由飛控系統綜合生成指令控制發動機噴管偏轉，利用發動機推力形成需要的操縱力矩，實現過失速機動飛行，並挖掘飛機的極限飛行能力，從而顯著提高飛機大迎角下的機動性和敏捷性，實現真正意義的無憂慮操縱。同時，由於直接產生操縱力，並且推力大小和方向易變，還可以減小飛機舵面的設計負擔，實現減阻減重、提高隱身性能的效果。

推力矢量技術在戰鬥機上的應用，除了能夠實現驚艷的過失速機動外，更是具備很強的實戰價值：

1）大幅提高戰鬥機的空中飛行性能，可以通過全機的飛推一體化綜合控制，改善全機氣動力特性，降低飛機阻力，提升戰鬥機的加速能力，提高飛機航程，並幫助戰鬥機實現超音速巡航；

2）在起降時通過控制發動機的偏轉力矩，能夠縮短飛機起降滑跑距離，降低起降速度需求，在減少戰鬥機對跑道依賴的同時提高飛機起落架與輪胎壽命，有利於戰時的快速出動和前沿部署；

3）提高空戰對抗能力，近戰時可以大幅度提高機頭的快速指向能力，在雙方博弈時搶得先機，在被攻擊時能夠快速擺脫敵機的追擊，並獲得對敵機的攻擊機會；在中遠距離上可以為飛行員提供更為豐富的戰術選擇；

4）提高飛行控制能力，極大改善飛行中的風險要素，甚至達到無限制的理想狀態，這樣即使飛機進入危險狀態時也能夠安全地改出，徹底打破失速這一飛行員的安全夢魘，使戰鬥機在獲得前所未有的高機動性的同時也具有空前的高安全性和高可靠性。

二、技術發展歷程

戰鬥機推矢技術的發展，可謂厚積薄發。從上世紀70年代，德國MBB公司飛機設計師首次提出可行的推力矢量工程方法起，推力矢量的研究與工程化應用已經已有近半個世紀的歷史，但研究集中在少數航空強國中：上世紀70年代美國率先實施了一系列研究計劃和推力矢量飛機的風洞試驗計劃，著重開展氣動、飛推一體化、結構等方面的綜合研究，並進行了一系列演示驗證工作；前蘇聯自上世紀80年代開展了大量軸對稱矢量噴管、二元噴管基礎研究和對比分析工作，通過綜合對比後集中精力發展軸對稱矢量噴管。除此之外，日本等國也相繼開展了推矢技術的研究與驗證工作。

進行了推矢技術飛行驗證的國家少，將推矢技術成功應用於裝備的國家更少，僅美俄兩國的最新型戰鬥機才擁有，因此推矢技術更是成為了現代飛機的技術標誌與關鍵能力特徵，備受關注。

三、從系統工程看戰鬥機推矢

戰鬥機推力矢量，不僅僅是簡單的在飛機平台上安裝一台有推矢噴管的發動機即可，就如同組裝電腦，頂級硬體的堆砌並不一定能配出一台頂級電腦。戰鬥機推力矢量技術本質上是基於戰鬥機使用需求，自頂向下的系統綜合，每一個要素的設計都是精雕細琢，牽一髮而動全身。該項技術研究與應用過程中所突破的大量關鍵技術，更是先進戰鬥機實現自主作戰的基礎技術，也是飛機平台實現綜合化設計的關鍵要素，成為未來提升戰鬥機作戰能力的能力倍增器。

該項技術由兩大關鍵部分支撐：具備綜合飛行控制能力的飛機平台與具備推矢功能的發動機，其中飛推之間的關係並非相對獨立，而是高度融合，二者相輔相成才能形成合力，共同幫助戰鬥機飛行能力的提升。用工程界一句時髦的話來概括：「先進的戰鬥機推矢是設計出來的」，其技術內涵是高度複雜的綜合系統工程，需要以飛機為核心，將飛機的氣動力、飛行控制、進氣與排氣、發動機進行緊密結合實現全方位飛推綜合設計涵蓋總體設計、綜合試驗、模擬模擬、空中試飛的全領域工程閉環。

傳統戰鬥機的設計，通常以飛推結構一體化設計、飛推性能一體化設計為牽引，但戰鬥機推力矢量技術所則將飛推綜合設計提升到了更高的層級，將飛推氣動力一體化設計、飛推性能一體化設計、飛推控制一體化設計、飛推結構一體化設計相結合，既要保證大迎角條件下飛機優越的機動性能和發動機性能，又要確保飛行過程中的操縱性和安全性，並打破傳統飛機與發動機各自獨立控制的系統架構，真正意義上實現飛推融合。

四、推力矢量發動機

除了飛機系統以外，戰鬥機推力矢量技術的一大技術特徵，就是推矢發動機。相對於常規發動機，推矢發動機外觀上最主要的特徵體現在矢量噴管設計上。高效、輕重量、高可靠性的矢量噴管無疑是飛機推力矢量技術的核心和最大技術難點。

從矢量噴管的結構形式上，可大致分為四類：

燃氣舵：在飛機的機尾罩外側加裝向內、向外徑向轉動的尾板，靠尾板的轉向來改變飛機尾氣流的方向，實現推力矢量。優點是結構簡單，成本較低，但存在重量和外廓尺寸大，氣動效率低等固有缺陷。

軸對稱矢量噴管：噴管擴張段同時承擔偏轉與收擴調節雙重功能，收縮段保持原有結構不變。優點是幾乎不改變發動機性能，在同樣偏轉角下產生的力矩更大，且飛機的後體阻力更小，但對發動機結構、材料與控制提出了非常高的要求。

關節式矢量噴管：噴管分為關節段和收擴段，關節段負責收擴段偏轉，收擴段負責常規的噴口收擴調節。優點是噴管可不做任何改動，喉道與出口控制亦無需改動，但轉動段較長，外部負載與噴管阻力都較大。

二元矢量噴管：利用安裝在發動機末端上下兩個板型構建上下偏轉，實現改變氣流方向。優點是隱身收益高，具有良好的減阻效果，但對氣動力、飛推一體化、控制等要求高。

當矢量噴管偏轉時，需要與飛機實現緊耦合一體化設計。一方面噴管要承受高溫、高速氣流所帶來的巨大載荷，並還要保證噴管偏轉時發動機性能不降低；另一方面要使偏轉後的後體流場特性能夠與飛機的內外部氣動力特性相協調，避免飛機升阻特性的出現劇烈變化；此外，還要保證矢量噴管的使用壽命、可靠性等，減小極限條件下的使用限制。種種苛刻的工作條件，對發動機特別是噴管的結構設計、工藝與材料等方面提出了非常高的要求。

五、結束語

回顧過去的幾十年推矢技術的發展，從最初簡陋的獨立控制，到先進的飛-推綜合控制；從簡單實現氣流偏轉，到噴流流場與飛機內外流的深度耦合，不斷的嘗試與研究是技術進步的基石，艱辛而又不失激情。推力矢量技術不單是航展中蘇-35的凌波微步、F-22的旱地拔蔥，也不僅僅只是在低速、近距空戰時的搏命一擊，而是為戰鬥機在不同作戰階段的戰術實施提供了高效、可靠的動作選擇，使飛行員在交戰過程中不再為能力上限與安全性而擔憂，極大解放了飛行員的飛行壓力，使其更好投入作戰。展望未來，在智能化、雲作戰為主導的未來作戰條件下，推矢技術將與智能作戰、網路協同深度融合，從而將戰場態勢、對抗策略與高效執行相結合，實現戰鬥機體系的自主作戰，為飛行員提供更高效準確與智能化的的戰鬥輔助，達到「人機合一」的最高境界，將戰鬥機的作戰能力發揮到極致。

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