[科普中国]-推力矢量尾喷管

推力矢量尾喷管是指能够控制排出气流的方向使推力方向变化的尾喷管。

简介能够控制排出气流的方向使推力方向变化的尾喷管称为推力矢量尾喷管。目前通常是采用机械方法使尾喷管管道转向以控制推力方向，如矩形、轴对称和球形推力矢量尾喷管等1。

推力矢量尾喷管的功能采用推力矢量尾喷管,可以显著提高飞机的以下性能:

(1 ) 降低起飞和着陆距离。起飞过程中, 尾喷管先转向上, 在很低的飞行速度下飞机可抬头,抬起前起落架后尾喷管再转向下, 直接产生升力, 可以大大减小起飞滑跑距离; 着陆过程中,利用俯仰推力矢量, 减小进场速度,滑跑距离减小。

(2 ) 超机动性和超机敏性。飞机的机动性指快速直线加速和转弯能力, 良好的机动性必须与有效的操纵性相结合。操纵性是指迅速地改变姿态和保持所希望姿态的能力。常规飞机的操纵性靠飞机操纵面的气动力实现。这种气动力在大攻角、大侧滑角、低飞行速度和高空飞行条件下最小,特别是操纵面失速时接近于零, 因此不能突破“失速障碍”。常规的机动性加操纵性称常规机敏性。推力矢量尾喷管用于飞机操纵, 可突破“失速障碍”,使飞机有“过失速机动性”,即“超机动性”和“超操纵性”, 超机动性加超操纵性称超机敏性。

(3 ) 超声速巡航。采用推力矢量尾喷管有助于实现发动机不加力时的飞机超声速巡航。推力矢量尾喷管与飞机一体化设计,喷流向下折转使机翼形成超环量, 升力增加,提高升阻比, 减小超声速飞行时的阻力。

(4 ) 隐身性。采用推力矢量尾喷管可使飞机操纵面积减小, 不加力超声速巡航, 若采用大宽高比的矩形尾喷管可大幅度降低可探测性。

(5 ) 对于民用运输机, 采用推力矢量尾喷管可以增加飞行安全性和改善飞机性能。

简而言之，推力矢量技术就是通过偏转发动机喷流的方向，从而获得额外操纵力矩的技术。我们知道，作用在飞机上的推力是一个有大小、有方向的量，这种量被称为矢量。然而，一般的飞机上，推力都顺飞机轴线朝前，方向并不能改变，所以我们为了强调这一技术中推力方向可变的特点，就将它称为推力矢量技术。

不采用推力矢量技术的飞机，发动机的喷流都是与飞机的轴线重合的，产生的推力也沿轴线向前，这种情况下发动机的推力只是用于克服飞机所受到的阻力，提供飞机加速的动力。

采用推力矢量技术的飞机，则是通过喷管偏转，利用发动机产生的推力，获得多余的控制力矩，实现飞机的姿态控制。其突出特点是控制力矩与发动机紧密相关，而不受飞机本身姿态的影响。因此，可以保证在飞机作低速、大攻角机动飞行而操纵舵面几近失效时利用推力矢量提供的额外操纵力矩来控制飞机机动。第四代战斗机要求飞机要具有过失速机动能力，即大迎角下的机动能力。推力矢量技术恰恰能提供这一能力，是实现第四代战斗机战术、技术要求的必然选择。

推力矢量飞机飞行原理普通飞机的飞行迎角是比较小的，在这种状态下飞机的机翼和尾翼都能够产生足够的升力，保证飞机的正常飞行。当飞机攻角逐渐增大，飞机的尾翼将陷入机翼的低能尾流中，造成尾翼失速，飞机进入尾旋而导致坠毁。这个时候，纵然发动机工作正常，也无法使飞机保持平衡停留在空中2。

然而当飞机采用了推力矢量之后，发动机喷管上下偏转，产生的推力不再通过飞机的重心，产生了绕飞机重心的俯仰力距，这时推力就发挥了和飞机操纵面一样的作用。由于推力的产生只与发动机有关系，这样就算飞机的迎角超过了失速迎角，推力仍然能够提供力矩使飞机配平，只要机翼还能产生足够大的升力，飞机就能继续在空中飞行了。而且，通过实验还发现推力偏转之后，不仅推力能产生直接的投影升力，还能通过超环量效应令机翼产生诱导升力，使总的升力提高。

装备了推力矢量技术的战斗机由于具有了过失速机动能力，拥有极大的空中优势，美国用装备了推力矢量技术的X-31验证机与F-18做过模拟空战，结果X-31以1:32的战绩遥遥领先于F-18。

使用推力矢量技术的飞机不仅其机动性大大提高，而且还具有前所未有的短距起落能力，这是因为使用推力矢量技术的飞机的超环量升力和推力在升力方向的分量都有利于减小飞机的离地和接地速度，缩短飞机的滑跑距离。另外，由于推力矢量喷管很容易实现推力反向，飞机在降落之后的制动力也大幅提高，因此着陆滑跑距离更加缩短了。

如果发动机的喷管不仅可以上下偏转，还能够左右偏转，那么推力不仅能够提供飞机的俯仰力矩，还能够提供偏航力矩，这就是全矢量飞机。

推力矢量技术推力矢量技术的运用提高了飞机的控制效率，使飞机的气动控制面，例如垂尾和立尾可以大大缩小，从而飞机的重量可以减轻。另外，垂尾和立尾形成的角反射器也因此缩小，飞机的隐身性能也得到了改善。

推力矢量技术是一项综合性很强的技术，它包括推力转向喷管技术和飞机机体/推进/控制系统一体化技术。推力矢量技术的开发和研究需要尖端的航空科技，反映了一个国家的综合国力，目前世界上只有美国和俄罗斯掌握了这一技术，F-22和Su-37就是两国装备了这一先进技术的各自代表机种1。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所