吴英质

X-31飞机使用推力矢量技术后，在66次模拟空战中总共击败F/A-18战斗机64次。

2018年11月6日，第十二届中国国际航空航天博览会在广东珠海拉开帷幕。在此次珠海航展中，国产歼10B TVC验证机首次亮相，凭借推力矢量发动机做出“眼镜”“落叶飘”等令人眼花缭乱的过失速机动，引发了公众对国产推力矢量发动机的关注。

作为战斗机突破失速限制、提高机动性和敏捷性的利器，推力矢量技术历来倍受航空强国重视。目前的推力矢量喷管采用机械作动来改变推力方向，结构复杂且可靠性低。据统计，一个高度复杂的先进可调推力矢量喷管可占整个推进系统重量的20%～30%，这显然与飞机设计师“为减重1克而奋斗”的理念相悖。用于实现推力转向的运动元件包括调节片、运动机构、执行机构就多达1000多件，不仅维护难度大，而且不利于战斗机隐身。

由此可见，研制一款新型推力矢量发动机，减重增效，已成为提高未来战斗机性能的关键问题。鉴于此，科研人员把目光放在了火箭上采用的流体推力矢量技术。

流体推力矢量技术，又名流体作动式推力矢量控制技术。通过在扩散段喷入两股气流，改变主流的面积和方向，从而达到推力矢量的目的。相比传统的推力矢量喷管，流体推力矢量喷管省去了许多复杂的作动元件，降低了维护成本，减轻了结构重量，未来可能成为推力矢量技术的发展方向。

先说推力矢量飞机的前传

说到流体推力矢量技术，就要从推力矢量发动机的发展谈起。任何技术都有其发展过程，推力矢量技术亦是如此。传统的战斗机采用气动舵面控制，当飞行迎角过大时，气动舵面失效，飞机就会面临失速的危险。20世纪40年代，采用推力矢量技术控制飞机的概念被提出，之后推力矢量发动机应运而生。推力矢量发动机与常规发动机的不同之处在于：它不仅能够为飞机提供前进的推力，而且还可以通过喷管的转向，实现推力方向的偏转。相比只能提供轴向推力、不直接参与飞机控制的常规发动机，采用推力矢量喷管的发动机可以弥补或取代飞机的气动舵面，并直接参与到对飞机的控制，这将显著提高战斗机的飞行性能。

推力矢量技术（Thrust Vector Control）是一项涉及航空航天技术、控制技术、计算流体力学等学科的复杂技术，为了使得这项复杂的技术得以付诸实现，科研人员展开了漫长的探索，并不断在推力矢量技术领域取得新突破。20世纪70年代，德国MBB公司著名飞机设计师沃尔夫岗·赫尔伯斯博士结合未来空战对空中格斗的要求，提出利用偏转装置改变发动机尾喷流的方向来提高飞机的机动性能，即推力矢量控制技术。1985年，美国国防高级技术研究计划局（DARPA）和西德梅塞施密特集团联合开展了有关推力矢量技术的可行性研究。1990年3月，美国罗克韦尔公司、波音公司和德国MBB公司共同研发的试验研究飞机X-31出厂，该机在发动机尾喷管装有可改变推力方向的3块碳纤维复合材料舵面，顺利完成了试飞，其舵面可相对发动机轴线偏转±10度，在迎角为70度时仍然能够操作自如，具有良好的过失速性能。

从1993年11月至1994年年底，X-31与F/A-18曾展开多次模拟空战。在X-31飞机不使用推力矢量喷管的16次空战中，F/A-18以12：4的战绩击败X-31;而在X-31使用推力矢量技术后的66次空战中，X-31总共击败F/A-18战斗机64次。推力矢量技术在空战的优势开始得到初步体现。

目前主要研究的推力矢量类型按矢量推力产生方式可分为外推力矢量和内推力矢量。

外推力矢量凭借安装在发动机喷管或飞机尾部结构名为“燃气舵”的偏转构件改变喷流方向，该方法的优势在于结构较为简单，推力矢量容易实现;但缺点是气动损失大，结构破坏飞机气动外形。在喷流转向时，气流偏转角度远低于燃气舵偏转角度，因此该结构仅适用于推力矢量技术的试验论证，并不适用于实际使用的战机。

内推力矢量依靠控制发动机喷管转向，也被称为推力矢量喷管。

再说推力矢量喷管

推力矢量喷管的种类繁多。目前较为成熟的矢量喷管主要有轴对称矢量喷管和二元推力矢量喷管。

所谓二元矢量喷管，指的是发动机的尾喷管能够在俯仰与偏航方向发生偏转，使飞机能够在偏航和俯仰方向上产生垂直于飞机轴线的附加力矩，从而使飞机实现推力矢量控制。二元矢量喷管外形一般是矩形的，也可以是4块能够配套转动的调节板。目前二元推力矢量喷管的种类主要有：纯膨胀斜坡矢量噴管（SERN）、二元收敛一扩散矢量喷管（2DCDN）、滑动喉道式推力矢量喷管（STVN）、二元楔体式矢量喷管（2DWN）和球面收敛调节片矢量喷管（SCFN）等。美国F-22、YF-23隐形战斗机采用的就是二元推力矢量发动机。研究表明，二元推力矢量喷管较容易实现推力矢量，喷管外形利于隐身;缺点是结构笨重，且不能产生航向上的力矩。

1996年的英国范堡罗国际航展，加装轴对称矢量喷管的俄罗斯苏-37战斗机惊艳亮相，再度掀起了研究推力矢量技术的高潮。俄罗斯虽然在推力矢量技术领域起步较晚，但在轴对称推力矢量喷管的研究上却走在美国的前列。轴对称矢量喷管的特点是通过尾喷管的转动和扩张来改变推力方向。轴对称矢量喷管与二元推力矢量喷管的不同在于轴对称矢量喷管除了能为战机提供俯仰力矩外，还可以改变飞机航向上的喷流方向，具有容易产生偏航力矩、结构重量较轻的优点。

X-31在发动机尾喷管装有可改变推力方向的3块碳纤维复合材料舵面。

美国F-22隐形战斗机上用的普惠F119发动机就采用了二元推力矢量。

随着F-22、歼20、苏-57等第四代隐形战斗机的服役，推力矢量技术迎来了新的发展高潮。推力矢量喷管不仅成为第四代战斗机的关键技术，也开始成为三代半战斗机的新宠儿。事实上，为顺应世界航空发展趋势，我国早在几年前就已经启动了推力矢量技术的研究计划。去年亮相珠海的歼10B TVC推力矢量验证机，就是中国推力矢量技术发展的缩影。从珠海航展的公开视频来看，歼10B TVC采用了类似于俄罗斯苏-35战斗机的轴对称推力矢量喷管。与苏-35所用的117S发动机不同，歼10B TVC的矢量喷管管身较短，且安装了许多用于减少推力损失的小型调节片。作为世界第一款单发推力矢量战斗机，歼10B TVC的控制难度明显高于苏-35。换言之，天生静不稳定的歼10B TVC要想在低空完成“眼镜蛇”“赫布斯特”等高难度过失速机动，光靠鸭翼和矢量喷管控制是远远不够的，还需要依靠一套先进的飞行控制系统来实现气动舵面和矢量喷管的耦合。这也是现如今许多推力矢量飞机在设计之初采用一体化设计的缘故。

虽然推力矢量技术有诸多优势，但仍然有许多技术难题。目前的推力矢量喷管主要为机械作动式矢量喷管。数量繁多的机械作动件沉重且不利于隐身，光是作动筒和执行机构就付出了过于沉重的代价。

尽管近几年研究人员也研制出了新型机械式推力矢量喷管，但仍然无法克服作动机构带来的问题。在此背景下，流体推力矢量喷管提供了另外的解决方案。

啥是流体推力矢量技术

流体推力矢量技术通过对喷管内二次流抽吸或注入气流的方式迫使喷流发生偏转。与传统推力矢量喷管相比，流体推力矢量喷管省去了复杂的作动机构，系统维护性和可靠性大大提高。目前实现流体推力矢量的途径也有很多。以下介绍3种典型的流体推力矢量技术。

附面层推力矢量控制技术

当外界空气从扩散段的一个或多个喷射孔进入时，导致扩散段压力失衡，压力失衡引起气流分离。气流分离迫使主流产生侧向力矩，从而达到推力矢量的目的。这种推力矢量方法对飞行高度较为敏感，要求环境压力要大于喷管内分离区的压力，因而不适合高空飞行。

附面层推力矢量控制示意图

反流推力矢量控制技术

在喷口出口截面增加了一个外套。当需要主流偏转时，抽吸装置启动，气流沿喷管中的二股流腔道反向流动，从而产生负压差，促使主流方向改变。以主流上下偏转为例，当上部腔道产生负压差时，喷流向上偏转;当下部腔道产生负压差时，喷流向下偏转。试验表明，这种矢量技术只需要少量的反流就可以实现推力偏转。只不过当矢量偏角超过16度时，喷管可能会出现气流脉动或颤震等异常现象。

反流推力矢量控制示意图

可控喷流推力矢量技术

该推力矢量喷管原理与附面层推力矢量技术有一定相似之处，不同之处在于该矢量喷管需要两股流喷射用的高压气源以及喷流出口处增加了收缩段。当高压喷射流从扩散段射入主流，引起气流分离，迫使主流向喷射孔对侧偏转和气动流通面积减小。由于喷流出口处的超声速气流使可控喷流区与环境隔绝，喷流在可控喷流区的压力下工作，故而这种方法不受高度限制。

可控喷流推力矢量技术示意图

除此之外，相关国家还研制了一种机械/流体推力矢量喷管，可见不同国家在研制流体推力矢量喷管领域都有其独特的思路。

与传统推力矢量技术相比，流体推力矢量方法具有如下优点：

喷管采用流体作动，省去了诸如作动筒、执行机构、调节片、密封片等复杂的机械作动部件，大大降低研制和维护成本，并减轻了重量。提高了推力矢量发动机的可靠性。

大大改善了飞机的机动性和敏捷性。由于流体推力矢量喷管全部采用流体作动，喷流偏转没有了惯性力和摩擦力，因而偏转响应快，灵敏度高。毫秒级的反应速度非常利于应对现代空战瞬息万变的战场环境。

由于省去了作动筒、执行机构、调节片、密封片等复杂零部件，矢量喷管变得更加简洁，这有利于提高飞行器的隐身性能和飞行器尾部的减阻。

此外，二次喷射流能起到冷却喷口的作用，这将进一步提高飞行器的红外隐身性能。

凡事有矛必有盾，流体推力矢量技术也有不少缺点。唯有发现这些缺点，才能趋利避害，充分发挥流体推力矢量技术的优势。

由于流体推力矢量技术需要通过二股喷射流改变主流方向，所以流体推力矢量技术要求有气源或吸气。无论是高压气源还是吸气，都需要引气。这就要对发动机进行结构性调整，这也是流体推力矢量喷管研制过程中的首要问题，必須解决。此外，流体推力矢量喷管的结构布局问题和喷管调节问题也是限制其发展的一大因素。

在俄罗斯苏霍伊战斗机家族中。苏-30MKI、苏-35、苏-57等机型均采用了轴对称矢量喷管。两台发动机还能产生不同方向上的推力矢量，实现差动。

进击的流体推力矢量技术

虽然至今还没有一款实用型的流体推力矢量喷管装备在战斗机上，但流体推力矢量技术在很早之前就应用在火箭与导弹领域。说起流体推力矢量技术在导弹上的应用，就不能不提到“北极星A-3”型导弹。“北极星”导弹是世界上第一款真正意义的潜艇发射弹道导弹。作为“北极星”家族一员，“北极星A-3”导弹开创了流体推力矢量喷管在飞行器应用的先河。与“北极星A-1”“北极星A-2”采用的机械式气流偏转器不同，“北极星A-3”第二级发动机通过引入射流产生滚转、偏航、俯仰力矩，从而实现推力矢量。具体而言，就是在发动机喷管扩散段注入高密度的氟利昂气体，通过产生激波迫使主流发生偏转。较轻的发动机结构、更佳的推进系统使得“北极星A-3”导弹射程提高了60%。此外，美国还在“民兵”导弹中安装了流体推力矢量喷管。考虑到流体推力矢量技术的优势，相关航空强国纷纷展开了实验研究和仿真研究相结合的相关探索，并取得了丰硕的研究成果。

在流体推力矢量技术研究領域有着丰富经验的研究机构莫过于美国NASA兰利研究中心。近几年来，兰利研究中心以几何形状固定不变的矢量喷管为重点，通过实验研究和数值模拟，积累了大量有关射流控制技术的资料。该研究中心主要研究激波矢量法、逆向流法、喉道偏移法这三种具有广阔前景的流体推力矢量方法。美国在流体推力矢量领域的研究成果为后期流体推力矢量技术的实际应用奠定了基础。NASA和波音公司联合研制的X-36无尾研究机可能采用一种具有偏航能力的流体推力矢量喷管。在未来，流体推力矢量喷管将有望安装在X-45隐形无人作战飞机上，为飞行器提供辅助偏航力矩。除此之外，NASA还与普惠公司开展了针对F-22战斗机采用的F119发动机模型而进行的关于射流推力矢量喷管的实验研究。

展望

流体推力矢量技术已在火箭与导弹领域投入使用。从目前来看，实现流体推力矢量技术在战斗机上的应用还有诸多难题，各型流体推力矢量喷管都有其各自的优缺点，离实用化还有一定距离。然而，流体推力矢量技术具有广阔的前景。无论是减重增效还是强化隐身性能，流体推力矢量喷管都与未来战斗机设计理念不谋而合。随着现代空战环境的日趋恶化，现代战争对战斗机性能有了更高的要求。推力矢量技术作为提高战斗机性能的利器也必将引起业内的广泛关注。要想提高推力矢量喷管的性能，就需要从多方面优化现有推力矢量喷管。可以肯定的是，流体推力矢量喷管将成为未来战斗机的新技术，使战机如虎添翼，决胜空天战场！

责任编辑：吴佩新

一种用于测试流体推力矢量的装置。