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“推力矢量技术”一直在进化
作者:邢强    来源:解放军报    2019-01-05

歼-10B推力矢量验证机(左 徐小丹摄);AV-8B“鹞式”攻击机(右上);F-16“战隼”战斗机(右下)

  不久前,歼-10B战斗机在中国国际航空航天博览会上艳惊四座。它表演的赫伯斯特机动和眼镜蛇机动等高难度动作,令在场观众激动不已。

  作为我国首款单发推力矢量验证机,歼-10B在“吸粉”无数的同时,也在客观上成为“应用推力矢量技术的武器家族”中的一员。

  纵观武器装备发展史不难发现,推力矢量技术从理论到应用的每次突破与进步,都与一些武器装备的诞生与发展有所关联。正因为有了在这些武器装备上的一再验证,人类对推力矢量技术的掌握和运用,才一步步走向成熟。

  本期,我们就邀请“小火箭”联合会创始人邢强博士和大家一起聊聊,盘点一下曾经应用过推力矢量技术的武器装备。

  “呆萌”立族 旁系壮大

  从德尔塔飞艇到鹞式战机

  谈起推力矢量技术的应用,很多人第一反应肯定是飞机,具体一点说,是拥有过失速机动能力的现代战斗机。但是,实际上,这项技术最早应用是在飞艇上。

  早在100多年前,英国就在“呆萌”的德尔塔飞艇上尝试过可以调节方向的推进式螺旋桨设计。可以说,这是推力矢量技术的萌芽。

  “一战”期间,英国制造了兼具侦察和轰炸功能的新式武器——九号飞艇。作为英国的首款硬式飞艇,它能够以69千米/小时的速度飞行。

  这艘飞艇由4台180马力的活塞式发动机提供推力。硬式控制室通过转轴操控发动机,发动机则连接着硕大的螺旋桨。通过旋转转轴,控制室就能够操控螺旋桨的法线方向,最终实现推力矢量操控。

  当时的传统飞艇,控制起降绝大部分是通过调节充气量来实现,有的甚至还在采取抛沙袋、扔绳索的方法。九号飞艇则有所不同。在起飞阶段,它能让硕大的螺旋桨对地送风,加速起飞;在着陆阶段,还可以通过对天空吹气快速降高(这对飞艇来说至关重要,可以尽量减少暴露在对方防空火力中的时间)。这种能力,让飞艇能够在高空中稳住艇身,成为空中“航空母舰”。

  不幸的是,九号飞艇命运多舛,英国军方后来放弃了采购计划。因为,英国军方认为“一战”最晚到1915年就会结束,而九号飞艇要到1916年初才能具备战斗力。

  九号飞艇采购计划虽然中止,但幸运的是,这种推力矢量技术被沿用了下来。不过,这次接棒的已不是飞艇“宗室”,而是飞艇的旁系“亲戚”——飞机。

  随着罗尔斯·罗伊斯公司研制出飞马座推力矢量喷气式发动机,战斗机的发展便进入了一个新纪元。推力矢量技术第一次成功应用,是在英国研制的鹞式短距/垂直起降战斗机上。从此,推力矢量技术开始真正发扬光大,逐步推及鹞、海鹞、AV-8B等多个系列和类型。

  该飞机家族的喷气式发动机有共同的特点:拥有4个可以旋转的喷口,前面2个喷出从压气机引出来的冷气,后面2个喷出从燃烧室引出来的热气。在起降阶段,喷口转而向下;在平飞巡航阶段,转而向后。其基本原理,和“一战”时期的九号飞艇如出一辙。

  在此之前,美国面对苏联的压力,也曾着手研发能够垂直起降的战斗机,还一度尝试过把飞机竖起来、给飞机捆绑固体火箭助推器等多种方法,但终究未能如愿。

  苏联则是在1971年,也就是鹞式飞机首飞成功4年后,其海军首款实用型舰载固定翼战斗机雅克-38试飞成功。1987年,苏联研制成功了能够超声速飞行的雅克-141垂直起降战斗机。

  接“二”连“三” 加速发展

  从V-2导弹到F-16战机

  推力矢量技术在垂直/短距起降战斗机领域的应用得到一致认同。这时,有工程师提出了新的理念:既然推力矢量技术能够在起降阶段帮助战斗机快速升空或者顺利着陆,那么在其他方面也应该能发挥作用。

  第二次世界大战期间,以“复仇女神”为名的V-2弹道导弹,成为首次在实战中广泛应用推力矢量技术的武器。

  4片燃气舵在导弹的液体火箭发动机工作时,浸润在喷流中。来自自动驾驶仪的控制指令能够让这些燃气舵偏转至合适的角度,从而改变发动机喷流的推力方向。这种推力矢量技术,使V-2导弹能够在高速飞行状态下调整飞行方向。至今,燃气舵加推力矢量技术的配置依然在一些先进武器装备上发挥着重要作用。

  这项技术能否在水平方向上为战斗机提供加力呢?美国工程师率先进行了尝试。

  1975年,美国兰利计算中心启动二元推力矢量喷嘴项目。两年后麦克唐纳·道格拉斯公司加入,提供了2架F-15战斗机作为研究项目的飞行载体。其中1架,是该公司生产的第1架双座型F-15战斗机。

  在美国空军携大量投资加入的情况下,带有二元推力矢量喷嘴的F-15战斗机很快完成首飞。

  随后,美国宇航局NASA将项目更名为F-15短距起降/机动能力验证项目。随着具备调节俯仰和偏航机动性的三元推力矢量喷嘴技术的突破,一架全新版本的F-15战斗机成功首飞。

  这架F-15战斗机换掉了二元推力矢量喷嘴,在两台推力巨大的喷气式发动机尾部,加装了两部普拉特·惠特尼P/YBBN三元矢量喷管。此外,它还拥有一对全动鸭翼,以及能够配合鸭翼动作的尾翼。这种可以在20°范围内任意调节推力方向的喷管和这些独特设计,让这架F-15战斗机拥有了超强机动性。

  这架F-15验证机的实用可控攻角为85.7°,在当时可以说难以想象。在大攻角飞行状态下,传统空气舵面已经心有余力不足,此时推力矢量喷管的强势助力起到了雪中送炭的效果。

  受F-15验证机成功的鼓舞,通用动力、洛克希德·马丁与美国空军一起,启动了基于F-16机体的推力矢量验证机项目,并于1992年4月首飞成功。

  此后,美国宇航局NASA的阿姆斯特朗飞行试验中心,又对带有三元矢量喷管的F/A-18大攻角飞行验证机进行了飞行测试。这架F/A-18大黄蜂验证机,能够以70°的攻角持续稳定飞行,同时能够维持65°的攻角持续滚转,而量产版本的大黄蜂,只能达到35°。

  科技助推 超常“机动”

  从X-31验证机到未来战机

  应用推力矢量技术的战斗机引人注目,但一位德国工程师提出的概念,让一个新词语进入人们的视野——过失速机动。

  20世纪70年代,梅塞施密特集团的工程师赫伯斯特博士提出:未来,实施近距离格斗的战斗机,如果能够掌握这样一种能力,将会在格斗中占据优势地位。这种能力正是基于可以随意调节发动机推力方向的装置。

  当战斗机的实际瞬时攻角大于失速攻角,其飞行速度远低于巡航速度的时候,如果整机依然具备实用的操控能力,那么就可以在无须耗费巨大能量、无须忍受巨大过载的前提下,实现战斗机的快速转弯,使其机头或者武器装备迅速对准待射击方向。这种机动能力,出现在失速速度和失速攻角之后,所以叫作:过失速机动。

  赫伯斯特博士还给出了若干机动范例,其中最为有名的就是赫伯斯特转弯。但是当时,军方并不买账,不少飞行员认为这种构想过于外行。

  不过,赫伯斯特并未放弃。他得到了和美国宇航局NASA的合作机会。于是,X-31推力矢量技术验证机横空出世,并以70°的攻角进行了可控飞行。

  这款飞机拥有3块巨大的燃气扰流板,能够通过协同配合,让发动机的喷流实现在俯仰和偏航方向的迅速偏转。但实际上,整架X-31技术验证机,除了尾部的扰流板和机内专门用于大攻角和过失速机动的制导控制算法之外,其他的零部件和分系统大多数用已有零件拼凑而成。

  事实证明,这架由轰炸机、预研项目战斗机、现役战斗机、拆解的战斗机、公务机等多种机型零部件组合而成的X-31推力矢量技术验证机,飞出了人类第一个赫伯斯特机动。这宣示着:过失速机动的时代到来了。

  但是仍有飞行员认为,这种布局的飞行器偏航稳定性根本保证不了。在大攻角飞行状态下,一旦偏航失稳,飞机就有坠毁的危险。在进行了一系列改良后,赫伯斯特和他的团队把用于维持X-31验证机偏航稳定性的垂直尾翼虚拟屏蔽了,飞机依旧起飞成功。即便是没有了垂直尾翼,仅仅依靠推力矢量技术,单发喷气式飞机依然具有偏航稳定性。

  在拆除推力矢量扰流板的情况下,X-31验证机与F/A-18“大黄蜂”的交换比为2.38∶1,这意味着X-31验证机平均以己方2.38架的代价,才能击毁一架大黄蜂。但装回扰流板,恢复过失速机动能力的X-31验证机与F/A-18的交换比变为1∶9.51。这次,是一架拥有推力矢量和过失速机动能力的X-31,能够击毁将近10架F/A-18。

  如此明显的数据让各国再次把目光聚焦在推力矢量技术上。推力矢量技术也因此再次超常“机动”,在兵器研发方面走向两大方向:一是先进的战斗机机动能力。二是可靠的运载火箭、弹道导弹控制能力以及深空探测的自主着陆和起飞能力。

  未来的推力矢量系统绝不会只局限于这两大方向。它还会随着该技术的不断突破,变身为更多种类的武器装备。

责任编辑:索朗尼玛
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