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时间:2018-11-11 11:18来源:私人飞机 作者:中国航空
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物理学上的矢量

1.有些量既要有数值大小(包括有关的单位),又要有方向才能完全确定(几何对象),一般来说,在物理学中叫它矢量(vector或vector quantity),在数学中叫它向量,也就是有方向的量。

2.直观上,矢量通常被标示为一个带箭头的线段,线段的长度表示矢量的大小,箭头所指的方向表示矢量的方向。物理学中的力、力矩、位移、线速度、加速度、动量、冲量、角速度、角动量、场强、电流密度、磁矩等,都是矢量。

什么是矢量喷管?

大家都学过矢量,矢量是一个既有大小又有方向的物理量,也就是说矢量可以改变方向。这个特性反映在发动机尾喷口上就是发动机的喷出的气流可以改变方向,这个气流可以看做一个矢量,有大小有方向。发动机喷出的气流平行于飞机轴线向后。而发动机是不能转动的,想要使这个气流朝其他喷就要在发动机喷口处加装一个可以转动的管子,这个管套就是矢量喷管。矢量喷管相比于常规喷管的最大外观特征就是矢量喷管能够把发动机尾喷口的截面转到与飞机轴线不垂直的方向上。就像下图这样:

我们知道飞机靠各种舵面来控制飞行方向,然而在一些特殊情况下,例如大迎角,超音速机动,尾翼等舵面控制方向的能力就会因气压,气流的变化而大幅下降,这时要想有效控制飞行姿态就需要对发动机喷流进行方向调整,这就需要矢量喷管的转向来完成。矢量喷管可以使飞机进行任意的精细姿态调整,进而做出各种机动动作,例如在空中翻筋斗,摊煎饼(以机尾为轴,机头水平方向360旋转),落叶飘(飞机一边水平旋转一边垂直下降)等。我们在各种大型航展上看到的那些“逆天”的战斗机机动动作都是由矢量喷管完成的。

矢量喷管主要可以分为:二元矢量喷管,三元矢量喷管(轴对称矢量喷管),折流板矢量喷管。二元就是尾喷管只能作上下摆动,高温高压燃气也只能改变上下方向。三元的意思就是喷管可以360度全向偏转。从喷口形状看,二元矢量喷管的喷口是矩形的,三元轴对称矢量喷管的喷口截面是圆形的。折流板矢量喷管是靠发动机喷口处3块折流板调整喷流方向。

二元矢量喷管

在矢量喷管的应用上,美国应用的二元矢量喷管。F22战斗机的尾喷管是典型的二元矢量喷管,可以上下调节角度。同普通的战斗机尾喷管相比,这种处理有两个优点:一是加强机动性。上下可调的矢量喷管提供了额外的控制俯仰的能力,可以在俯仰这个维度提高飞机的机动性。二是降低红外线特征。矩形喷口能够使高温尾喷流与冷空气充分混合,从而降低了飞机的红外线特征,也算是隐形的一部分。

二元矢量喷管还有一个优势就是利于减阻,由于喷口扁平,后机身呈纵向逐渐收扁的状态(按照常识去理解,扁平的东西在空气中受到的阻力一定比圆的东西的阻力小),这样就有效地降低了超音速巡航时的后体阻力。

当然这个东西也是有缺点的,一是二元矢量喷管只能在上下两个方向上偏转,不能全向调整喷流方向,使飞机在水平方向上的机动有所欠缺。(例如空中摊煎饼的机动)。二是损失部分推力,这个很好理解,圆是一个在各方向上对称的图形,圆截面喷管里的气流流动是均匀的,四周的流速也是均匀的。而矩形截面有棱角,在棱角处气流受阻力较大,流速降低,产生的推力就会损失。

图为F22“猛禽”战斗机二元矢量喷管上下两个偏转板,两个偏转板同时上偏或下偏可以使喷流方向向上或向下调整。两个偏转板一上一下偏转可以起到收敛扩张喷管的作用。

F22战斗机二元矢量喷管略微向上偏转

二元矢量喷管向下偏转

装有二元矢量喷管的美制F119-PW100发动机(F22战斗机的发动机)喷流效果图

三元矢量喷管

三元矢量喷管的喷口为圆形,能够360全向偏转,任意改变推力方向。主要为俄罗斯研究并应用,因此也称为俄式矢量喷管。在这里,依据三元推力转向的机理不同,又可分为留里卡-土星式喷管和卡里莫夫式喷管。

留里卡-土星式喷管

如图为俄罗斯留里卡-土星设计局研制的三元矢量喷管,这种喷管并不是真正意义上的三元轴对称矢量喷管。我们可以看到,这种喷管的转动轴线是倾斜的,喷管整体转动,只能在沿轴线方向上下或左右15度的范围内偏转,从本质上将是一个二元喷管。但是俄罗斯人巧妙地把喷管轴线各向外倾斜32度,使得发动机推力在沿轴线转向时产生水平方向的分量,模拟出水平转向的效果。这是一种二维仿三维的运动。

卡里莫夫式喷管

俄罗斯卡里莫夫设计局的三元矢量喷管则是真正意义上的全向转动的轴对称矢量喷管,与欧美在研的矢量喷管类似。美国也验证过这种全向推力转向的喷管。这种喷管的推力转向依靠的是一圈偏转片中每一个偏转片的精细偏转,因此可以使喷口全向偏转。

折流板式矢量喷管

这种矢量喷管是问题最大最脑洞的矢量喷管。它的思路是这样的:在喷口处一圈放3个相互夹角120度的板子,靠3个板子偏转改变推力方向。如下图:


 
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